(57)【要約】  燃料電池システムは、酸化剤ガス供給部の供給ガス量を０から所定のガス流量まで所定期間内に増加させるために酸化剤ガス供給部が要する最低電力よりも、二次電池の出力可能電力量が小さい場合には、目標電流値を実現するための目標燃料電池必要ガス流量よりも多い過剰ガス流量を酸化剤ガス供給部が供給するように供給ガス流量を調整し、バイパス流量が過剰ガス流量と目標燃料電池必要ガス流量との差分のガス流量となるように、流量調整弁を制御する。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池システムであって、
燃料電池と、
前記燃料電池と接続された二次電池と、
前記二次電池から供給される電力により駆動され、前記燃料電池の発電に利用される酸化剤ガスを、前記燃料電池に供給する酸化剤ガス供給部と、
前記酸化剤ガス供給部により供給される前記酸化剤ガスの供給量である供給ガス流量を調整する供給ガス流量調整部と、
前記酸化剤ガス供給部と前記燃料電池とを連通する酸化剤ガス供給路と、
前記燃料電池のカソード側オフガスを排出するカソード側オフガス排出路と、
前記酸化剤ガス供給路と前記カソード側オフガス排出路とを接続するバイパス流路と、
前記酸化剤ガス供給部から供給される前記酸化剤ガスのうち、前記酸化剤ガス供給路から前記燃料電池に向かう酸化剤ガスの流量である燃料電池必要ガス流量と、前記酸化剤ガス供給路から前記バイパス流路に向かう酸化剤ガスの流量であるバイパス流量との流量比を調整する流量調整弁と、
前記二次電池の出力可能電力量を取得する出力可能電力量取得部と、
前記燃料電池に対する要求出力及び要求発熱量に基づき前記燃料電池の目標電流値及び目標電圧値を決定すると共に、前記流量調整弁を制御して前記燃料電池必要ガス流量及び前記バイパス流量を調整することにより、前記燃料電池が前記燃料電池の電流対電圧特性曲線上にある場合に比べて発電効率の低い動作点で運転する低効率運転を実行する運転制御部と、
を備え、
前記供給ガス流量調整部は、前記供給ガス流量を０から所定のガス流量まで所定期間内に増加させるために前記酸化剤ガス供給部が要する最低電力よりも、前記出力可能電力量が小さい場合に、前記目標電流値を実現するために前記燃料電池に供給されるべき前記燃料電池必要ガス流量である目標燃料電池必要ガス流量よりも多いガス流量である過剰ガス流量を前記酸化剤ガス供給部が供給するように、前記供給ガス流量を調整し、
前記運転制御部は、前記バイパス流量が、前記過剰ガス流量と前記目標燃料電池必要ガス流量との差分のガス流量となるように、前記流量調整弁を制御する、燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、
前記供給ガス流量調整部は、前記出力可能電力量が小さいほど前記過剰ガス流量が多くなるように前記供給ガス流量を調整する、燃料電池システム。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の燃料電池システムにおいて、
前記過剰ガス流量は、前記出力可能電力量値に応じて予め定められている前記供給ガス流量であって、前記供給ガス流量を前記所定のガス流量まで前記所定期間内に増加させるために予め必要な前記供給ガス流量である、燃料電池システム。
【請求項４】
請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の燃料電池システムにおいて、
前記運転制御部は、前記要求出力及び前記要求発熱量に基づき決定した前記目標電流値を、前記燃料電池のコンデンサ成分に起因する電流値に基づき補正する、燃料電池システム。
【請求項５】
請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の燃料電池システムにおいて、さらに、
前記燃料電池の始動時における前記燃料電池内の残水量を取得する残水量取得部を備え、
前記運転制御部は、前記低効率運転を終了させる温度である終了温度を、前記残水量が多いほど高くなるように設定する、燃料電池システム。
【請求項６】
請求項１ないし請求項５のいずれかに記載の燃料電池システムにおいて、さらに、
前記燃料電池の温度である燃料電池温度を取得する温度取得部を備え、
前記運転制御部は、前記低効率運転を終了させる温度である終了温度を、前記燃料電池の始動時における前記燃料電池温度がより低いほどより高くなるように設定する、燃料電池システム。
【請求項７】
請求項１ないし請求項６のいずれかに記載の燃料電池システムにおいて、さらに、
前記要求発熱量を決定する要求発熱量決定部と、
前記燃料電池の温度である燃料電池温度を取得する温度取得部と、
を備え、
前記運転制御部は、前記燃料電池温度が前記低効率運転を終了させる温度である終了温度に達するまで前記低効率運転を実行し、
前記要求発熱量は、少なくとも前記燃料電池を昇温させるための発熱量である昇温要求発熱量を含み、
前記要求発熱量決定部は、前記燃料電池温度が、前記車両が走行可能状態であると判定可能な所定の温度以上であり、かつ、前記終了温度よりも低い場合に、前記昇温要求発熱量を、前記燃料電池温度がより高いほどより低くなるように決定する、燃料電池システム。
【請求項８】
請求項７に記載の燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池システムは、アクセルを有する車両に搭載され、
前記燃料電池システムは、さらに、
前記車両の速度を取得する速度取得部と、
前記アクセルの開度を取得するアクセル開度取得部と、
を備え、
前記要求発熱量決定部は、前記燃料電池温度が、前記所定の温度以上であり、かつ、前記終了温度よりも低い場合に、前記昇温要求発熱量を、前記車両の速度に応じた上限値と、前記アクセルの開度に応じた上限値とのうち、少なくとも一方の上限値以下に決定し、
前記車両の速度に応じた上限値は、前記車両の速度がより高いほどより大きな値が設定され、
前記アクセルの開度に応じた上限値は、前記アクセルの開度がより大きいほどより大きな値が設定されている、燃料電池システム。
【請求項９】
請求項１ないし請求項８のいずれかに記載の燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池システムは、車両に搭載され、
前記燃料電池システムは、さらに、前記車両に対する減速要求を取得する減速要求取得部を備え、
前記供給ガス流量調整部は、前記減速要求があった場合には、前記供給ガス流量を調整する際の変化量が所定量以下となるように、前記供給ガス流量を調整する、燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池の廃熱の利用に関する。
【背景技術】
【０００２】
低温環境下において燃料電池を始動する際に、通常運転よりも低効率で燃料電池を発電させる運転（以下、「低効率運転」と呼ぶ）を行うことにより燃料電池の熱損失（廃熱）を増加させ、廃熱により燃料電池を暖機する技術が提案されている。また、低効率運転を、燃料電池に接続された負荷に対して燃料電池から電力を供給している状態において実行する技術も提案されている。例えば、燃料電池を搭載した電気車両において、始動直後から低効率運転を開始し、燃料電池が所定の温度に達したタイミングで車両走行が開始され、以後、暖機完了温度に達するまで、走行しながら燃料電池を暖機する技術が提案されている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、負荷に電力を供給しながら低効率運転を実行する場合における燃料電池の出力応答性及び発熱応答性の向上については、なお改善の余地があった。【０００４】
本発明は、燃料電池から負荷に電力を供給しながら低効率運転を行う場合において、燃料電池の出力応答性及び発熱応答性を向上させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。【０００６】
［適用例１］燃料電池システムであって、燃料電池と、前記燃料電池と接続された二次電池と、前記二次電池から供給される電力により駆動され、前記燃料電池の発電に利用される酸化剤ガスを、前記燃料電池に供給する酸化剤ガス供給部と、前記酸化剤ガス供給部により供給される前記酸化剤ガスの供給量である供給ガス流量を調整する供給ガス流量調整部と、前記酸化剤ガス供給部と前記燃料電池とを連通する酸化剤ガス供給路と、前記燃料電池のカソード側オフガスを排出するカソード側オフガス排出路と、前記酸化剤ガス供給路と前記カソード側オフガス排出路とを接続するバイパス流路と、前記酸化剤ガス供給部から供給される前記酸化剤ガスのうち、前記酸化剤ガス供給路から前記燃料電池に向かう酸化剤ガスの流量である燃料電池必要ガス流量と、前記酸化剤ガス供給路から前記バイパス流路に向かう酸化剤ガスの流量であるバイパス流量との流量比を調整する流量調整弁と、前記二次電池の出力可能電力量を取得する出力可能電力量取得部と、前記燃料電池に対する要求出力及び要求発熱量に基づき前記燃料電池の目標電流値及び目標電圧値を決定すると共に、前記流量調整弁を制御して前記燃料電池必要ガス流量及び前記バイパス流量を調整することにより、前記燃料電池が前記燃料電池の電流対電圧特性曲線上にある場合に比べて発電効率の低い動作点で運転する低効率運転を実行する運転制御部と、を備え、前記供給ガス流量調整部は、前記供給ガス流量を０から所定のガス流量まで所定期間内に増加させるために前記酸化剤ガス供給部が要する最低電力よりも、前記出力可能電力量が小さい場合に、前記目標電流値を実現するために前記燃料電池に供給されるべき前記燃料電池必要ガス流量である目標燃料電池必要ガス流量よりも多いガス流量である過剰ガス流量を前記酸化剤ガス供給部が供給するように、前記供給ガス流量を調整し、前記運転制御部は、前記バイパス流量が、前記過剰ガス流量と前記目標燃料電池必要ガス流量との差分のガス流量となるように、前記流量調整弁を制御する、燃料電池システム。【０００７】
適用例１の燃料電池システムでは、二次電池の出力可能電力量が、供給ガス流量を０から所定のガス流量まで所定期間内に増加させるために酸化剤ガス供給部が要する最低電力よりも小さい場合に、酸化剤ガス供給部が過剰ガス流量を供給するように供給ガス流量が調整されるので、燃料電池に接続された負荷が大きくなり燃料電池必要ガス流量を増加させる必要があり、かつ、二次電池の出力可能電力量が小さい場合であっても、酸化剤ガス供給部が予め過剰ガス流量を供給しているので、バイパス流量を減少させることにより酸化剤ガスの供給応答性の劣化を抑制できる。したがって、燃料電池から負荷に電力を供給しながら低効率運転を行っている際に負荷が増加した場合であっても、燃料電池スタックの出力応答性及び発熱応答性を向上させることができる。【０００８】
［適用例２］適用例１に記載の燃料電池システムにおいて、前記供給ガス流量調整部は、前記出力可能電力量が小さいほど前記過剰ガス流量が多くなるように前記供給ガス流量を調整する、燃料電池システム。【０００９】
このような構成により、二次電池の出力可能電力量がより小さいために二次電池から供給される電力によって酸化剤ガス供給部が供給可能な供給ガス流量がより少ない場合であっても、酸化剤ガス供給部がより多くの過剰ガス流量を供給しているので、燃料電池に接続されている負荷がより大きくなり燃料電池必要ガス流量が増加した場合に、酸化剤ガスの供給応答性の劣化を抑制できる。【００１０】
［適用例３］適用例１または適用例２に記載の燃料電池システムにおいて、前記過剰ガス流量は、前記出力可能電力量値に応じて予め定められている前記供給ガス流量であって、前記供給ガス流量を前記所定のガス流量まで前記所定期間内に増加させるために予め必要な前記供給ガス流量である、燃料電池システム。【００１１】
このような構成により、二次電池の出力可能電力量が小さい場合であっても、供給ガス流量を所定のガス流量まで所定期間内に増加させることができる。したがって、二次電池の出力可能電力量が小さい場合であっても、酸化剤ガス供給部の酸化剤ガスの供給応答性として所定の応答性を維持することができる。【００１２】
［適用例４］適用例１ないし適用例３のいずれかに記載の燃料電池システムにおいて、前記運転制御部は、前記要求出力及び前記要求発熱量に基づき決定した前記目標電流値を、前記燃料電池のコンデンサ成分に起因する電流値に基づき補正する、燃料電池システム。【００１３】
このような構成により、燃料電池の目標電圧値を変化させた際に生じる燃料電池のコンデンサ成分による変動エネルギー量をキャンセルするように目標電流値を決定することができる。したがって、燃料電池を目標とする動作点で運転するように正確に制御することができるので、燃料電池スタック１０の出力応答性及び発熱応答性を向上させることができる。【００１４】
［適用例５］適用例１ないし適用例４のいずれかに記載の燃料電池システムにおいて、さらに、前記燃料電池の始動時における前記燃料電池内の残水量を取得する残水量取得部を備え、前記運転制御部は、前記低効率運転を終了させる温度である終了温度を、前記残水量が多いほど高くなるように設定する、燃料電池システム。【００１５】
このような構成により、始動時における燃料電池内の残水量が多いほど終了温度が高く設定されるので、低効率運転において燃料電池自体に与える熱量をより多くすることができる。したがって、残水量が多い状況であっても、水を水蒸気として燃料電池から容易に排出させることができる。【００１６】
［適用例６］適用例１ないし適用例５のいずれかに記載の燃料電池システムにおいて、さらに、前記燃料電池の温度である燃料電池温度を取得する温度取得部を備え、前記運転制御部は、前記低効率運転を終了させる温度である終了温度を、前記燃料電池の始動時における前記燃料電池温度がより低いほどより高くなるように設定する、燃料電池システム。【００１７】
一般に、始動時における燃料電池温度がより低いほど燃料電池内に残留する水はより多い。適用例６の構成により、始動時における燃料電池温度がより低いほど終了温度をより高くなるように設定されるので、低効率運転において燃料電池自体に与える熱量をより多くすることができる。したがって、残水量が多い状況であっても、水を水蒸気として燃料電池から容易に排出させることができる。【００１８】
［適用例７］適用例１ないし適用例６のいずれかに記載の燃料電池システムにおいて、さらに、前記要求発熱量を決定する要求発熱量決定部と、前記燃料電池の温度である燃料電池温度を取得する温度取得部と、を備え、前記運転制御部は、前記燃料電池温度が前記低効率運転を終了させる温度である終了温度に達するまで前記低効率運転を実行し、前記要求発熱量は、少なくとも前記燃料電池を昇温させるための発熱量である昇温要求発熱量を含み、前記要求発熱量決定部は、前記燃料電池温度が、前記車両が走行可能状態であると判定可能な所定の温度以上であり、かつ、前記終了温度よりも低い場合に、前記昇温要求発熱量を、前記燃料電池温度がより高いほどより低くなるように決定する、燃料電池システム。【００１９】
このような構成により、燃料電池温度がより高いほど、燃料電池の温度の上昇スピードをより遅くすることができる。したがって、低効率運転の終了温度を超えて燃料電池を昇温させることを抑制できるので、無駄な低効率運転の実行を抑制でき、反応ガスの燃費を向上させることができる。【００２０】
［適用例８］適用例７に記載の燃料電池システムにおいて、前記燃料電池システムは、アクセルを有する車両に搭載され、前記燃料電池システムは、さらに、前記車両の速度を取得する速度取得部と、前記アクセルの開度を取得するアクセル開度取得部と、を備え、前記要求発熱量決定部は、前記燃料電池温度が、前記所定の温度以上であり、かつ、前記終了温度よりも低い場合に、前記昇温要求発熱量を、前記車両の速度に応じた上限値と、前記アクセルの開度に応じた上限値とのうち、少なくとも一方の上限値以下に決定し、前記車両の速度に応じた上限値は、前記車両の速度がより高いほどより大きな値が設定され、前記アクセルの開度に応じた上限値は、前記アクセルの開度がより大きいほどより大きな値が設定されている、燃料電池システム。【００２１】
一般に、酸化剤ガス供給部の駆動に伴うノイズや振動は、車両の速度がより低いほど、また、アクセルの開度がより大きいほど、乗員に違和感をより強く与える。したがって、このような構成により、要求発熱量が、車両の速度に応じた上限値とアクセル開度に応じた上限値とのうち少なくとも一方の上限値以下に制限されるので、酸化剤ガス供給部の駆動に伴うノイズや振動による違和感を乗員に与えることを抑制できる。【００２２】
［適用例９］適用例１ないし適用例８のいずれかに記載の燃料電池システムにおいて、前記燃料電池システムは、車両に搭載され、前記燃料電池システムは、さらに、前記車両に対する減速要求を取得する減速要求取得部を備え、前記供給ガス流量調整部は、前記減速要求があった場合には、前記供給ガス流量を調整する際の変化量が所定量以下となるように、前記供給ガス流量を調整する、燃料電池システム。【００２３】
このような構成により、減速要求があった場合に、供給ガス流量の変化量が所定量以下とすることができるので、減速要求をしたにも関わらず、供給ガス流量の変化に伴う酸化剤ガス供給部の駆動に伴うノイズや振動が大きくなってしまい、乗員に強い違和感を与えてしまうことを抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の一実施例としての燃料電池システムの概略構成を示す説明図。
【図２】図１に示すエアストイキ比マップ６３ｂの設定内容の一例を模式的に示す説明図である。
【図３】図１に示す不足エア量マップ６３ｅの設定内容の一例を模式的に示す説明図である。
【図４】本実施例におけるエア供給量制御処理の手順を示すフローチャートである。
【図５】目標動作点決定処理の手順を示すフローチャートである。
【図６】濃度過電圧の求め方を模式的に示す説明図である。
【図７】本実施例のエア供給量制御処理を行った場合に設定されるエアコンプレッサの供給エア量の一例を示す説明図である。
【図８】第２の実施例における目標動作点決定処理の手順を示すフローチャートである。
【図９】第３実施例の燃料電池システムの概略構成を示す説明図である。
【図１０】第３実施例における要求発熱量決定処理の手順を示すフローチャートである。
【図１１】図９に示す第１発熱量制限マップ及び第２発熱量制限マップの設定内容の一例を模式的に示す説明図である。
【図１２】図９に示す暖機目標温度マップ６３ｉの設定内容の一例を模式的に示す説明図である。
【図１３】図９に示すＦＣ必要発熱量マップ６３ｈの設定内容の一例を模式的に示す説明図である。
【図１４】第４実施例におけるＦＣ必要エア量決定処理の手順を示す説明図である。
【図１５】変形例１における不足エア量マップの設定内容の例を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
Ａ．第１実施例：
Ａ１．システム構成：
図１は、本発明の一実施例としての燃料電池システムの概略構成を示す説明図である。本実施例において、燃料電池システム１００は、駆動用電源を供給するためのシステムとして、電気車両に搭載されて用いられる。燃料電池システム１００は、燃料電池スタック１０と、水素ガス供給路５１と、アノードオフガス排出路５２と、水素ガスバイパス路５３と、空気供給路５４と、カソードオフガス排出路５５と、空気バイパス路５６と、水素タンク３１と、遮断弁４２と、水素ガス供給弁４３と、パージ弁４６と、循環ポンプ４７と、エアコンプレッサ３２と、調圧弁４５と、バイパス弁４４と、温度センサ１６と、ＤＣ−ＤＣコンバータ２１０と、二次電池２２０と、ＳＯＣ算出手段２２１と、制御ユニット６０とを備えている。
【００２６】
燃料電池スタック１０は、積層された複数の単セル２０を備えている。単セル２０は、アノード側セパレータ２１と、電解質膜を有するＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly）２２と、カソード側セパレータ２３とを備えており、ＭＥＡ２２をアノード側セパレータ２１とカソード側セパレータ２３とで挟んだ構成を有している。
【００２７】
水素ガス供給路５１は、水素タンク３１と燃料電池スタック１０とを連通し、水素タンク３１から供給される水素ガスを燃料電池スタック１０に導くための流路である。アノードオフガス排出路５２は、燃料電池スタック１０のアノードからアノードオフガス（余剰水素ガス）を排出するための流路である。水素ガスバイパス路５３は、アノードオフガス排出路５２と水素ガス供給路５１とを連通し、燃料電池スタック１０から排出される水素ガス（反応に用いられなかった水素ガス）を水素ガス供給路５１に戻すための流路である。
【００２８】
空気供給路５４は、エアコンプレッサ３２と燃料電池スタック１０とを連通し、エアコンプレッサ３２から供給される圧縮空気を燃料電池スタック１０に導くための流路である。カソードオフガス排出路５５は、燃料電池スタック１０のカソードからカソードオフガスを排出するための流路である。カソードオフガスには、通常運転時には、燃料電池スタック１０において電気化学反応に用いられなかった余剰空気と、燃料電池スタック１０における電気化学反応により生じた水とが含まれ、低効率運転時には、これら余剰空気及び生成水に加え、低効率運転の際にカソードにおいて下記式１に示す化学反応によって発生する水素（以下、「ポンピング水素」と呼ぶ）が含まれる。なお、本実施例において、「低効率運転」とは、通常運転（燃料電池スタック１０がＩ−Ｖ特性曲線上の動作点で運転している状態）よりも発電効率を低下させた運転を意味する。
【００２９】
【数１】
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【００３０】
空気バイパス路５６は、空気供給路５４とカソードオフガス排出路５５とを連通し、エアコンプレッサ３２により供給される空気を、燃料電池スタック１０を介さずにカソードオフガス排出路５５に供給するための流路である。
【００３１】
水素タンク３１は、高圧水素ガスを貯蔵している。遮断弁４２は、水素タンク３１の図示しない水素ガス排出口に配置されており、水素ガスの供給及び停止を行う。水素ガス供給弁４３は、水素ガス供給路５１に配置されており、弁開度を調整することによって燃料電池スタック１０に供給される水素ガスの圧力および流量を調整する。パージ弁４６は、アノードオフガスを、アノードオフガス排出路５２から大気へと放出するための弁である。循環ポンプ４７は、水素ガスバイパス路５３内において水素ガスをアノードオフガス排出路５２から水素ガス供給路５１へと流通させるためのポンプである。
【００３２】
エアコンプレッサ３２は、空気供給路５４に配置され、外部から取り込んだ空気を加圧して燃料電池スタック１０に供給する。エアコンプレッサ３２としては、例えば、インペラが回転して圧縮を行う遠心式のコンプレッサや、動翼（ロータ）が回転して圧縮を行う軸流式のコンプレッサを用いることができる。エアコンプレッサ３２の駆動電力は、燃料電池スタック１０から供給される。調圧弁４５は、燃料電池スタック１０側の圧力（背圧）を調整するための弁である。バイパス弁４４は、空気バイパス路５６において、空気供給路５４からカソードオフガス排出路５５へと流通する空気量を調整するための弁である。温度センサ１６は、カソードオフガス排出路５５において燃料電池スタック１０近傍に配置されている。本実施例では、温度センサ１６により検知した温度を、燃料電池スタック１０の温度及び二次電池２２０の温度として採用する。
【００３３】
ＤＣ−ＤＣコンバータ２１０は、二次電池２２０及び燃料電池スタック１０と接続されており、二次電池２２０から供給される直流電圧を昇圧して、図示しないインバータを介して負荷に出力する。本実施例において負荷とは、電気車両の駆動用モータ２００と、エアコンプレッサ３２や循環ポンプ４７等の補機を意味する。また、ＤＣ−ＤＣコンバータ２１０は、燃料電池スタック１０の発電により得られた電力を降圧して二次電池２２０に充電する。二次電池２２０としては、例えば、ニッケル・カドミウム蓄電池や、ニッケル・水素蓄電池や、リチウム二次電池等を採用することができる。ＳＯＣ算出手段２２１は、二次電池２００の充電電力量（ＳＯＣ：State Of Charge）を算出する。
【００３４】
制御ユニット６０は、エアコンプレッサ３２と、ＤＣ−ＤＣコンバータ２１０と、各弁４２〜４７と電気的に接続されており、これら各要素を制御する。また、制御ユニット６０は、温度センサ１６及びＳＯＣ算出手段２２１と電気的に接続されており、これら各要素から測定値及び算出値を受信する。
【００３５】
制御ユニット６０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）６１と、ＲＡＭ（Random Access Memory）６２と、ＲＯＭ（Read Only Memory）６３とを備えている。ＲＯＭ６３には、燃料電池システム１００を制御するための図示しない制御プログラムが格納されており、ＣＰＵ６１は、ＲＡＭ６２を利用しながらこの制御プログラムを実行することにより、運転制御部６１ａ，燃料電池（ＦＣ）必要エア量決定部６１ｂ，供給エア量決定部６１ｃ，弁制御部６１ｄ，出力可能電力量取得部６１ｅとして機能する。
【００３６】
運転制御部６１ａは、燃料電池スタック１０に供給する反応ガス（空気及び水素ガス）の量、及び燃料電池スタック１０の電圧を制御することにより、燃料電池スタック１０の出力（発電量）及び発熱量を制御する。空気量の制御は、エアコンプレッサ３２の回転数を調整することにより実現する。水素ガス流量の制御は、弁制御部６１ｄを介して水素ガス供給弁４３の開度を調整することにより実現する。燃料電池スタック１０の電力制御は、ＤＣ−ＤＣコンバータ２１０を介して行う。また、運転制御部６１ａは、図示しないアクセルの開度及び車速に基づき、燃料電池スタック１０への要求出力値を算出する。
【００３７】
ＲＯＭ６３には、回転数マップ６３ａと、エアストイキ比マップ６３ｂと、弁開度マップ６３ｃと、出力可能電力量マップ６３ｄと、不足エア量マップ６３ｅとが、予め記憶されている。回転数マップ６３ａは、エアコンプレッサ３２のインペラの回転数とエアコンプレッサ３２の供給エア量とを対応付けたマップであり、予め実験等により求めて設定される。
【００３８】
図２は、図１に示すエアストイキ比マップ６３ｂの設定内容の一例を模式的に示す説明図である。図２において、横軸はエアストイキ比を示し、縦軸は濃度過電圧を示す。燃料電池システム１００では、低効率運転として、燃料電池スタック１０への供給エア量を抑制することにより濃度過電圧を生じさせて燃料電池スタック１０の廃熱量を増加させる公知の方法を採用する。この低効率運転時におけるエアストイキ比と濃度過電圧との関係は、予め実験等により求めることができる。なお、エアストイキ比とは、燃料電池スタック１０を構成する各単セル２０がＩ−Ｖ特性曲線上の動作点で運転するために必要な理論上のエア量に対して、実際に燃料電池スタック１０に供給するエア量の比率を意味する。図２に示すように、エアストイキ比が高いほど（すなわち、供給エア量が多くなるほど）、濃度過電圧は低くなり、ストイキ比が０．９〜１．１の範囲で急激に低下する。
【００３９】
図１に示す弁開度マップ６３ｃは、エア量と、バイパス弁４４及び調圧弁４５の弁開度とを対応付けたマップである。バイパス弁４４の開度が大きいほど空気バイパス路５６のエア量は大きく、また、調圧弁４５の開度が大きいほど空気供給路５４のエア量及びカソードオフガス排出路５５のエア量は大きくなる。そこで、燃料電池システム１００では、予めバイパス弁４４及び調圧弁４５の開度と各エア量との関係を実験により求め、ＲＯＭ６３に格納されている。出力可能電力量マップ６３ｄは、二次電池２２０の充電電力量（ＳＯＣ）及び二次電池２２０の温度と、二次電池２２０の出力可能な最大電力量とを対応付けたマップである。二次電池２２０のＳＯＣが大きいほど出力可能電力量は大きく、また、二次電池２２０の温度が高いほど出力可能電力量は大きい。そこで、二次電池２２０のＳＯＣ及び二次電池２２０の温度と出力可能電力量との関係を予め実験により求め、出力可能電力量マップ６３ｄとしてＲＯＭ６３に格納することができる。
【００４０】
図３は、図１に示す不足エア量マップ６３ｅの設定内容の一例を模式的に示す説明図である。図３において、横軸は二次電池２２０の出力可能電力量を示し、縦軸はエアコンプレッサ３２により供給されるエア量の不足分を示す。
【００４１】
低温環境下においては、二次電池２２０の出力可能電力量が低いために、所定のエア供給応答性を満たすための電力をエアコンプレッサ３２に供給できないおそれがある。本実施例では、所定のエア応答性として、１秒間で最大エア供給量である３７００Ｎｌ（Normal litter）／ｍｉｎまで上昇させるという応答性が設定されている。この場合、最大応答性は、燃料電池スタック１０にエアが全く供給されていない状態において、アクセルがアイドル状態（アクセル開度が０％の状態）から、アクセルが最大に踏み込まれた状態（アクセル開度１００％の状態）に移行した場合に、１秒間で０Ｎｌ／ｍｉｎから、３７００Ｎｌ／ｍｉｎに上昇させるという応答性となる。この最大応答性を満たすためにエアコンプレッサ３２の駆動に必要な電力が、例えば５０ｋＷであった場合において、ＳＯＣ及び二次電池２２０の温度から定められる二次電池２２０の出力可能電力量が４０ｋＷであると、最大エア供給応答性を実現することができない。しかしながら、二次電池２２０の出力可能電力量が５０ｋＷ以上である場合、この最大応答性を満たすことができる。そこで、燃料電池システム１００では、二次電池２２０の出力可能電力量と、燃料電池スタック１０にエアが供給されていない状態において、所定のエア供給応答性を満たすために不足するエア供給量（Ｎｌ／ｍｉｎ）を予め実験等により求め、不足エア量マップ６３ｅとして設定されている。
【００４２】
図３に示すように、不足エア量マップ６３ｅでは、二次電池２２０の出力可能電力量が大きいほど、不足エア量としてより小さい値が設定されている。そして、二次電池２２０の出力可能電力量が５０ｋＷ以上である場合に不足エア量は０となっている。つまり、出力可能電力量が少なくとも５０ｋＷであれば、エアコンプレッサ３２からエアが供給されていない状態において、アクセル開度が１００％になった場合でも、１秒間で最大エア供給量である３７００Ｎｌ／ｍｉｎに上昇させることができることを意味する。また、二次電池２２０の出力可能電力量が０ｋＷである場合の不足エア量は、３７００Ｎｌ／ｍｉｎである。これは、二次電池２２０の出力可能電力量が０ｋＷである場合に、不足するエア量は３７００Ｎｌ／ｍｉｎであることを示している。
【００４３】
ここで、既にエアコンプレッサ３２からエアを供給している場合には、二次電池２２０の出力可能電力量が少ない場合でも、所定のエア供給応答性を満たすことができる。例えば、既にエアコンプレッサ３２からエアを供給しているために、アクセル開度が１００％となった場合に１秒間で上昇すべきエア供給量が１０００Ｎｌ／ｍｉｎであれば、二次電池２２０の出力可能電力量が５０ｋＷ未満であっても、所定のエア供給応答性（１秒以内での３７００Ｎｌ／ｍｉｎへのエア供給量の上昇）を満たすことができる場合がある。この例において３７００Ｎｌ／ｍｉｎは、請求項における所定のガス流量に、１秒間は請求項における所定の期間に、それぞれ相当する。なお、所定のエア供給応答性としては、１秒以内での３７００Ｎｌ／ｍｉｎへのエア供給量の上昇に限らず、任意の期間内に任意の流量まで増加させる任意のエア供給応答性を設定することができる。
【００４４】
燃料電池システム１００は、上述した各構成要素に加え、冷却媒体により燃料電池スタック１０を冷却するための機構（例えば、冷却媒体循環路やラジエータなど）を備えている。また、燃料電池システム１００は、燃料電池スタック１０により昇温された冷却媒体を利用して客室を温める図示しない暖房機構を備えている。
【００４５】
燃料電池システム１００では、始動時において燃料電池スタック１０の温度が０℃よりも低い場合には、低効率運転が開始され燃料電池スタック１０が暖機される。
【００４６】
燃料電池システム１００を搭載した電気車両では、走行安定性を保つため、燃料電池スタック１０の温度が０℃よりも低い場合には走行不可能な状態に設定され、低効率運転により燃料電池スタック１０の温度が昇温されて０℃以上となった場合に走行可能な状態に設定される。したがって、燃料電池スタック１０の温度が０℃よりも低い場合には、電気車両をより短期間で走行可能な状態とするために、出力応答性（要求出力を満たす電力を出力できる性能又は要求出力を満たすまでの期間の短さ）を低下させてより多くの発熱量を得るように低効率運転が実行される。そして、燃料電池システム１００では、燃料電池スタック１０の温度が上昇して０℃に達すると、低効率運転を継続して実行すると共に後述するエア供給量制御処理を実行することにより、燃料電池スタック１０の出力応答性及び発熱応答性を向上させることができる。なお、本実施例において「発熱応答性」とは、要求発熱量を満たすことができる性能、又は発熱要求があってから要求発熱量を満たすまでの期間の短さを意味する。
【００４７】
前述のエアコンプレッサ３２は、請求項における酸化剤ガス供給部に相当する。また、バイパス弁４４及び調圧弁４５は請求項における流量調整弁に、ＳＯＣ算出手段２２１は請求項における出力可能電力量取得部に、温度センサ１６は請求項における温度取得部に、それぞれ相当する。また、運転制御部６１ａは、請求項における供給ガス流量調整部，運転制御部，残水量取得部，要求発熱量決定部，速度取得部，アクセル開度取得部，及び減速要求取得部に相当する。
【００４８】
Ａ２．エア供給量制御処理：
始動時の低効率運転により燃料電池スタック１０の温度が上昇して０℃になると、電気車両は走行可能状態となり、燃料電池システム１００においてエア供給量制御処理が実行される。
【００４９】
図４は、本実施例におけるエア供給量制御処理の手順を示すフローチャートである。運転制御部６１ａは、図示しないアクセルの開度及び電気車両の速度に基づき、駆動用モータ２００や補機の要求出力値を決定する（ステップＳ１０５）。運転制御部６１ａは、要求発熱量を決定する（ステップＳ１１０）。本実施例では、低効率運転の際の要求発熱量として、燃料電池スタック１０の最大発生エネルギーから補機損失（補機への供給電力量）を除いた値（以下、「最大発熱量」と呼ぶ）が予め設定されており、運転制御部６１ａはこの最大発熱量を要求発熱量として設定する。運転制御部６１ａは、燃料電池スタック１０の目標動作点を決定する（ステップＳ１１５）。
【００５０】
図５は、目標動作点決定処理の手順を示すフローチャートである。運転制御部６１ａは、目標動作点の電流値（目標電流値）Ｉｒｅｆを、下記式２に基づき算出する（ステップＳ２０５）。式２において、「Ｐｆｃ」は、要求出力値を示す。また、「Ｐｌｏｓｓ」は要求発熱量を、「Ｖｌ」は単位セル当たりの理論起電圧を、「ｎ」は燃料電池スタック１０を構成する単セル２０の数を、それぞれ示す。
【００５１】
【数２】
2011148426.tif 000004
【００５２】
次に、運転制御部６１ａは、目標動作点の電圧値（目標電圧値）Ｖｒｅｆを、下記式３に基づき算出する（ステップＳ２１０）。式３における、Ｐｆｃ及びＩｒｅｆは、式２と同じである。
【００５３】
【数３】
2011148426.tif 000005
【００５４】
図４に示すように、目標動作点が決定されると、運転制御部６１ａは、濃度過電圧に基づき、エアストイキ比マップ６３ｂを参照してエアストイキ比を決定する（ステップＳ１２０）。
【００５５】
図６は、濃度過電圧の求め方を模式的に示す説明図である。図６において、横軸は燃料電池スタック１０の電流値を示し、縦軸は燃料電池スタック１０の電圧値を示す。図６において、曲線Ｌｃは、燃料電池スタック１０のＩ−Ｖ特性曲線（電流対電圧特性曲線）を示す。また、曲線Ｌｑは或る要求発熱量の等発熱量曲線を示し、曲線Ｌｐは或る要求出力の等出力曲線を示す。
【００５６】
図６に示す動作点Ｐ２は、要求出力（曲線Ｌｐ）と要求発熱量（曲線Ｌｑ）とを満たす動作点となり、上記ステップＳ１１５において設定される目標動作点である。動作点Ｐ１は、燃料電池スタック１０のＩ−Ｖ特性曲線上の動作点であって、目標電流値Ｉｒｅｆを満たす動作点である。濃度過電圧は、この動作点Ｐ１における電圧Ｖ０と、目標動作点Ｐ２の電圧Ｐｒｅｆとの差分として求められる。なお、運転制御部６１ａは、このようにして求めた濃度過電圧に基づき、図２に示すエアストイキ比マップ６３ｂを参照してエアストイキ比を求めることができる。
【００５７】
運転制御部６１ａは、ＦＣ必要エア量決定部６１ｂを制御して、燃料電池スタック１０に必要なエア量（ＦＣ必要エア量）Ａｆｃを、下記式４に基づき決定する（ステップＳ１２５）。式４において、定数「ｎ」は燃料電池スタック１０を構成する単セル２０の数を示す。また、定数「２２．４」は、エア量（モル）を体積（リットル）に換算するための係数であり、定数「６０」は、分を秒に換算するための係数であり、定数「９６５００」はファラデー定数であり、定数「０．２１」は空気中の酸素含有率である。なお、式４のエアストイキ比として、ステップＳ１２０で決定されたストイキ比を用いる。
【００５８】
【数４】
2011148426.tif 000006
【００５９】
運転制御部６１ａは、ＳＯＣ算出手段２２１から受信した充電電力量（ＳＯＣ）と、温度センサ１６から受信した温度（二次電池２２０の温度）とに基づき、出力可能電力量マップ６３ｄを参照して二次電池２２０の出力可能電力量を決定する（ステップＳ１３０）。
【００６０】
運転制御部６１ａは、ステップＳ１３０により決定した出力可能電力量に基づき、不足エア量マップ６３ｅを参照して、不足エア量Ａｌｃを決定する（ステップＳ１３５）。
【００６１】
運転制御部６１ａは、ステップＳ１２５により決定したＦＣ必要エア量Ａｆｃと、ステップＳ１３５により決定した不足エア量Ａｌｃとを比較して、ＦＣ必要エア量Ａｆｃが不足エア量Ａｌｃよりも少ないか否かを判定する（ステップＳ１４０）。
【００６２】
ＦＣ必要エア量Ａｆｃが不足エア量以上の場合（ステップＳ１４０：ＮＯ）、運転制御部６１ａは、供給エア量決定部６１ｃを制御して、エアコンプレッサ３２の供給エア量Ａａｃ（以下、単に「供給エア量Ａａｃ」と呼ぶ）として、ＦＣ必要エア量Ａｆｃと同一量を設定する（ステップＳ１４５）。
【００６３】
ステップＳ１４５において、供給エア量Ａａｃを設定すると、運転制御部６１ａは、空気バイパス路５６のエア量（バイパスエア量Ａｂｐ）と、ＦＣ必要エア量Ａｆｃとに基づき、弁制御部６１ｄを制御してバイパス弁４４及び調圧弁４５を調整する（ステップ）。このステップＳ１６０の処理は、後述するステップＳ１５５の後にも実行されるが、ステップＳ１４５の後にステップＳ１６０が実行される場合、バイパスエア量Ａｂｐは０に設定され、バイパス弁４４の開度が０％に調整される。なお、バイパス弁４４の開度として、燃料電池スタック１０におけるポンピング水素の発生量及びポンピング水素を希釈するために必要なエア量を求め、この希釈用のエア量を空気バイパス路５６に流通させるように、バイパス弁４４の開度を設定することもできる。この場合、ＦＣ必要エア量Ａｆｃと、希釈用のエア量とを足し合わせたエア量が、供給エア量Ａａｃとして設定される。
【００６４】
運転制御部６１ａは、ステップＳ１４５により設定された供給エア量Ａａｃに基づき、回転数マップ６３ａを参照してエアコンプレッサ３２の回転数を決定し、決定した回転数となるようにエアコンプレッサ３２を制御する（ステップＳ１６５）。ステップＳ１６５の処理により、燃料電池スタック１０にＦＣ必要エア量Ａｆｃが供給されるが、このＦＣ必要エア量Ａｆｃは、二次電池２２０の出力可能電力量に基づく不足エア量よりも多い。したがって、その後、アクセル開度が１００％となって、ＦＣ必要エア量Ａｆｃが３７００Ｎｌ／ｍｉｎに設定された場合であっても、二次電池２２０の出力を上昇させることにより、かかるＦＣ必要エア量Ａｆｃを１秒以内に達成することができる。
【００６５】
前述のステップＳ１４０において、ＦＣ必要エア量Ａｆｃが不足エア量Ａｌｃよりも少ないと判定すると、運転制御部６１ａは、供給エア量Ａａｃとして、ステップＳ１３５で決定した不足エア量Ａｌｃを設定する（ステップＳ１５０）。この場合、エアコンプレッサ３２から供給される供給エア量Ａａｃは、ＦＣ必要エア量Ａｆｃよりも多くなる。そこで、運転制御部６１ａは、不足エア量ＡｌｃとＦＣ必要エア量Ａｆｃとの差分のエア量を、バイパスエア量Ａｂｐとして設定する（ステップＳ１５５）。その後、運転制御部６１ａは、前述のステップＳ１６０，Ｓ１６５を実行する。なお、ポンピング水素の希釈に要するエア量を求め、かかるエア量をステップＳ１５５で求めたバイパスエア量Ａｂｐに足し合わせてバイパスエア量Ａｂｐを設定することもできる。この場合、供給エア量Ａａｃは、不足エア量Ａｌｃと希釈用のエア量とを足し合わせて得られたエア量に設定される。
【００６６】
ステップＳ１５０〜Ｓ１６５を実行することにより、ＦＣ必要エア量Ａｆｃが不足エア量Ａｌｃよりも少ない場合には、エアコンプレッサ３２は不足エア量Ａｌｃを供給し、燃料電池スタック１０にはＦＣ必要エア量Ａｆｃが供給され、空気バイパス路５６には不足エア量ＡｌｃとＦＣ必要エア量Ａｆｃとの差分のエア量が供給される。したがって、その後、アクセル開度が１００％となってＦＣ必要エア量Ａｆｃが３７００Ｎｌ／ｍｉｎに設定された場合であっても、バイパスエア量Ａｂｐを０としてバイパスエア量Ａｂｐに相当するエア量をＦＣ必要エア量Ａｆｃに上乗せすることにより、二次電池２２０の出力可能電力量から定められる不足エア量Ａｌｃを供給エア量Ａａｃにより補うことができる。それゆえ、所定のエア供給応答性を実現することができる。
【００６７】
図７は、本実施例のエア供給量制御処理を行った場合に設定されるエアコンプレッサの供給エア量の一例を示す説明図である。図７において、横軸は二次電池２２０の出力可能電力量を示し、縦軸はエアコンプレッサ３２の供給エア量を示す。なお、図３に示す不足エア量マップ６３ｅを、説明の便宜のため図７において破線で示している。
【００６８】
例えば、二次電池２２０の出力可能電力量が３０ｋＷであり、目標動作点を実現するためのＦＣ必要エア量が４０００Ｎｌ／ｍｉｎ（動作点ｕ２）である場合、このＦＣ必要エア量は、かかる出力可能電力量（３０ｋＷ）における不足エア量（３０００Ｎｌ／ｍｉｎ）よりも多い。したがって、この場合、供給エア量ＡａｃとしてＦＣ必要エア量である４０００Ｎｌ／ｍｉｎを設定することにより、その後、アクセル開度が１００％となってＦＣ必要エア量Ａｆｃが３７００Ｎｌ／ｍｉｎに設定された場合であっても、１秒以内にＦＣ必要エア量Ａｆｃを３７００Ｎｌ／ｍｉｎにすることができ、所定の応答性を満たすことができる。
【００６９】
これに対し、例えば、二次電池２２０の出力可能電力量が３０ｋＷであり、目標動作点を実現するためのＦＣ必要エア量が１５００Ｎｌ／ｍｉｎ（動作点ｕ１）である場合、このＦＣ必要エア量は、かかる出力可能電力量（３０ｋＷ）における不足エア量（３０００Ｎｌ／ｍｉｎ）よりも少ない。しかし、エア供給量制御処理により、供給エア量Ａａｃとして、不足エア量（３０００Ｎｌ／ｍｉｎ）となるような動作点ｕ０でエアコンプレッサ３２を動作させるので、アクセル開度が１００％となってＦＣ必要エア量Ａｆｃが３７００Ｎｌ／ｍｉｎに設定された場合であっても、１秒以内にＦＣ必要エア量Ａｆｃを３７００Ｎｌ／ｍｉｎにすることができ、所定のエア供給応答性を満たすことができる。
【００７０】
以上説明したように、本実施例の燃料電池システム１００では、ＦＣ必要エア量Ａｆｃが不足エア量Ａｌｃよりも少ない場合に、エアコンプレッサ３２の供給エア量として不足エア量Ａｌｃを設定し、不足エア量ＡｌｃとＦＣ必要エア量Ａｆｃとの差分のガス流量を空気バイパス路５６に供給するようにしている。したがって、その後、アクセル開度が１００％となった場合であっても、燃料電池システム１００に設定されている所定のエア供給応答性を満たすことができるので、燃料電池スタック１０の出力応答性及び発熱応答性を向上させることができる。燃料電池スタック１０から駆動用モータ２００に対して電力を供給しながら低効率運転を行う場合には、アクセル開度に応じて負荷が大きく変わり、ＦＣ必要エア量Ａｆｃが急激に増減し得る。しかしながら、本実施例の構成とすることにより、低温環境下において二次電池２２０の出力可能電力量が小さい場合であっても、負荷の急増に応じたＦＣ必要エア量Ａｆｃの急増を実現でき、出力応答性及び発熱応答性を向上させることができる。
【００７１】
加えて、不足エア量ＡｌｃとＦＣ必要エア量Ａｆｃとの差分のガス流量を空気バイパス路５６に供給するようにしているので、エア供給応答性を満たすことが可能な最低限のエア供給量を、エアコンプレッサ３２のエア供給量として設定することができる。したがって、エアコンプレッサ３２のエア供給量として余剰な量を設定しないので、無駄な電力消費を抑えることができる。
【００７２】
また、不足エア量マップとして、二次電池２２０の出力可能電力量毎に不足エア量が設定されているので、一律に不足エア量を設定する場合に比べて、不足エア量を正確に決定することができる。したがって、ＦＣ必要エア量Ａｆｃが不足エア量Ａｌｃよりも少ない場合において、エアコンプレッサ３２のエア供給量として余剰な量を設定しないので、無駄な電力消費を抑えることができる。
【００７３】
また、ＦＣ必要エア量Ａｆｃが不足エア量Ａｌｃ以上の場合には、エアコンプレッサ３２の供給エア量Ａａｃとして、ＦＣ必要エア量Ａｆｃを設定する。この場合、その後、アクセル開度が１００％となった場合であっても、燃料電池システム１００に設定されている所定のエア供給応答性を満たすことができる。加えて、ステップＳ１５０，Ｓ１５５の処理を省略できるので、不足エア量Ａｌｃの多少に関わらず、一律にステップＳ１５０，Ｓ１５５を実行する構成に比べて、処理を簡素化することができる。
【００７４】
Ｂ．第２実施例：
図８は、第２の実施例における目標動作点決定処理の手順を示すフローチャートである。第２の実施例の燃料電池システムは、目標動作点決定処理において、ステップＳ２１５及びＳ２２０を加えて実行する点において、図１に示す燃料電池システム１００と異なり、他の構成は第１の実施例と同じである。
【００７５】
一般に、燃料電池スタック１０は、電解質溶液と触媒担持体との界面における電気二重層に起因する静電容量や、触媒の酸化還元反応による見かけ上の静電容量からなるコンデンサ容量（静電容量）を有している。この燃料電池スタック１０のコンデンサ成分により、燃料電池スタック１０の出力（電力量）及び発熱量に誤差が生じ得る。具体的には、燃料電池スタック１０を新たな目標動作点で運転させるために燃料電池スタック１０の電圧を急激に上昇させた場合には、燃料電池スタック１０はコンデンサ成分によりエネルギーを吸収する。したがって、燃料電池スタック１０は、新たな目標動作点とは異なる動作点において動作し得る。一方、燃料電池スタック１０の電圧を急激に降下させた場合には、燃料電池スタック１０はコンデンサ成分によりエネルギーを放出する。この場合も、燃料電池スタック１０は、新たな目標動作点とは異なる動作点において動作し得る。このように、目標動作点とは異なる動作点で動作した場合、燃料電池スタック１０の出力応答性及び発熱応答性は悪化することとなる。そこで、本実施例では、燃料電池スタック１０のコンデンサ成分を考慮して目標動作点を設定することにより、燃料電池スタック１０の出力応答性及び発熱応答性を向上させる。
【００７６】
具体的には、図８に示すように、ステップＳ２０５，Ｓ２１０において、目標電流値Ｉｒｅｆ及び目標電圧値Ｖｒｅｆを決定した後、運転制御部６１ａは、電圧変動に伴う燃料電池スタック１０のコンデンサ成分に起因する変動エネルギー量Ｐｆｃｃを、下記式５により算出する（ステップＳ２１５）。式５において、Ｃｆｃは、燃料電池スタック１０のコンデンサ成分（静電容量）を示す。また、Ｖｏｒｇは、現在の動作点における電圧値を示し、ΔＴは、現在の動作点の電圧から目標動作点の電圧に変化させるために要する期間（電圧制御応答性）として、予め燃料電池システム１００において設定されている期間を示し、例えば「１秒」を設定することができる。
【００７７】
【数５】
2011148426.tif 000007
【００７８】
運転制御部６１ａは、ステップＳ２１５で決定した変動エネルギー量Ｐｆｃｃに基づき、下記式６により目標電流値Ｉｒｅｆを補正して、補正後の目標電流値Ｉｒｅｆ’を決定する（ステップＳ２２０）。式６において、Ｉｒｅｆ及びＶｏｒｇは、式５と同じである。
【００７９】
【数６】
2011148426.tif 000008
【００８０】
例えば、電圧を上昇させる場合、燃料電池スタック１０のコンデンサ成分によりエネルギーが吸収される。そこで、予め目標電流値として当初の目標動作点の電流値よりも高い値に設定することにより、吸収されるエネルギーに相当するエネルギー分だけ多くの電力を出力し、吸収されるエネルギー量（変動エネルギー量）をキャンセルすることができる。式６の右辺第２項は、この変動エネルギーをキャンセルするための電流値を意味する。以上の目標動作点決定処理により、新たな目標動作点として、電圧値Ｖｒｅｆであり、電流値がＩｒｅｆ’である動作点が決定される。
【００８１】
以上の構成を有する第２実施例の燃料電池システムは、第１実施例の燃料電池システム１００と同じ効果を有する。加えて、電圧を変化させた際に生じる燃料電池スタック１０のコンデンサ成分（静電容量）による変動エネルギー量をキャンセルするように、目標電流値が決定される。したがって、燃料電池スタック１０のコンデンサ成分に起因するエネルギー変動が生じても、燃料電池スタック１０を当初の目標動作点で動作させることができ、燃料電池スタック１０の出力応答性及び発熱応答性を向上させることができる。
【００８２】
Ｃ．第３実施例：
図９は、第３実施例の燃料電池システムの概略構成を示す説明図である。第３実施例の燃料電池システム１００ａは、予めＲＯＭ６３に、第１発熱量制限マップ６３ｆと、第２発熱量制限マップ６３ｇと、ＦＣ必要発熱量マップ６３ｈと、暖機目標温度マップ６３ｉとが格納されている点において、図１に示す燃料電池システム１００と異なり、他の構成は第１実施例と同じである。なお、各マップ６３ｆ〜６３ｉの詳細については後述する。
【００８３】
第１の実施例では、低効率運転の際の要求発熱量として、燃料電池スタック１０の最大発熱量が予め設定されていたが、本実施例では、燃料電池スタック１０の温度や、燃料電池スタック１０の出力可能電力量に応じて要求発熱量を決定する。
【００８４】
図１０は、第３実施例における要求発熱量決定処理の手順を示すフローチャートである。第３実施例では、図１０に示す要求発熱量決定処理は、図４に示すステップＳ１１０として実行される。
【００８５】
運転制御部６１ａは、温度センサ１６からの測定値に基づき、燃料電池スタック１０の温度が０℃よりも低いか否かを判定し（ステップＳ３０５）、０℃よりも低い場合には、要求発熱量として、第１実施例と同様に、燃料電池スタック１０の最大発熱量が設定される（ステップＳ３１０）。このように、燃料電池スタック１０の温度が０℃よりも低い場合に要求発熱量として最大発熱量が設定されるのは、より短期間で０℃以上に昇温させることにより、より短期間で電気車両を走行可能状態とするためである。
【００８６】
ステップＳ３０５において、燃料電池スタック１０の温度が０℃以上であると判定した場合、運転制御部６１ａは、燃料電池スタック１０の出力可能電力量が所定の出力値（電力量）に達したか否かを判定する（ステップＳ３１５）。このステップＳ３１５における所定の出力値（しきい値）は、燃料電池スタック１０の出力応答性として最低限補償しなければならない応答性を実現可能な出力として決定される。具体的には、例えば、燃料電池スタック１０の最大出力（例えば１００ｋＷ）の半分の値（例えば５０ｋＷ）に設定することができる。なお、出力可能電力量は、現在の動作点の電流値及び電圧値から求めることができる。
【００８７】
ステップＳ３１５において、燃料電池スタック１０の出力可能電力量が所定値よりも小さいと判定された場合（ステップＳ３１５：ＹＥＳ）、運転制御部６１ａは、図示しない車速センサから得られる車速に基づき、第１発熱量制限マップ６３ｆを参照して発熱量上限値を決定する（ステップＳ３２０）。運転制御部６１ａは、図示しないアクセル開度センサから得られるアクセル開度に基づき、第２発熱量制限マップ６３ｇを参照して発熱量上限値を決定する（ステップＳ３２５）。
【００８８】
図１１は、図９に示す第１発熱量制限マップ及び第２発熱量制限マップの設定内容の一例を模式的に示す説明図である。図１１において、上段は第１発熱量制限マップ６３ｆを示し、下段は第２発熱量制限マップ６３ｇを示す。図１１の上段において、横軸は車速を示し、縦軸は発熱量を示す。図１１の下段において、横軸はアクセル開度を示し、縦軸は発熱量を示す。
【００８９】
第１発熱量制限マップ６３ｆは、燃料電池システム１００が搭載された電気車両の車速と、要求発熱量の上限値とを対応付けている。例えば、図１１上段に示すように、車速がＶ１の場合には、要求発熱量の上限値はａ１０に設定される。したがって、第１発熱量制限マップ６３ｆによると、車速がＶ１の場合には、要求発熱量はａ１０以下に制限される。
【００９０】
図１１上段に示すように、第１発熱量制限マップ６３ｆでは、車速が所定の速度Ｖ２を超えるまでは、車速が上昇するのにしたがって、要求発熱量の上限値も上昇するように設定されている。また、車速が所定の速度Ｖ２よりも高い場合には、要求発熱量の上限値は一定となっている。
【００９１】
このように要求発熱量の上限値を定めているのは、以下の理由による。発熱要求がより高い場合には、濃度過電圧をより高めるため、上記式１の反応がより多く起こる。その結果、燃料電池スタック１０におけるポンピング水素量が増えるため、かかるポンピング水素を希釈するために必要なエア量が増加する。この場合、エアコンプレッサ３２の回転数が増加するので、ノイズ及び振動が大きくなり、乗員に大きな違和感を与えることとなる。しかしながら、車速が高い場合には、ロードノイズ等の走行に伴うノイズ及び振動が比較的大きいので、エアコンプレッサ３２の回転数増加に伴うノイズ及び振動は、乗員にとって相対的に小さく感じられる。そこで、車速がより低いほど、発熱量の上限値をより低くすることにより、低速走行時のノイズ及び振動の発生を抑制し、車速がより高い場合により高い上限値を設定することにより、発熱応答性を向上させるようにしている。なお、所定の車速Ｖ２以上において要求発熱量の上限値を一定としているのは、或る程度の速度以上では、ロードノイズ等の走行に伴うノイズ及び振動よりもエアコンプレッサ３２の回転数増加に伴うノイズ及び振動の方がより大きくなるためである。
【００９２】
図１１下段に示す第２発熱量制限マップ６３ｇは、燃料電池システム１００が搭載された電気車両のアクセル開度と、要求発熱量の上限値とを対応付けている。例えば、図１１下段に示すように、アクセル開度がＤ１の場合には、要求発熱量の上限値はａ２０に設定される。したがって、第２発熱量制限マップ６３ｇによると、アクセル開度がＤ１の場合には、要求発熱量はａ２０以下に制限される。
【００９３】
図１１下段に示すように、第２発熱量制限マップ６３ｇでは、第１発熱量制限マップ６３ｆと同様に、アクセル開度が所定の開度Ｄ２を超えるまでは、アクセル開度が増加するのにしたがって、要求発熱量の上限値も上昇するように設定されている。また、アクセル開度が所定の開度Ｄ２よりも高い場合には、要求発熱量の上限値は一定となっている。
【００９４】
このように要求発熱量の上限値を定めているのは、以下の理由による。アクセル開度がより大きい場合には、乗員は、より加速度を大きくしようとしている。したがって、この場合、エアコンプレッサ３２の回転数増加に伴うノイズ及び振動がより大きくなっても、加速度の上昇に伴うノイズ及び振動の増加であるので、乗員は違和感をほとんど覚えない。一方、アクセル開度が小さい場合には、乗員は、加速度を小さくする（すなわち、現在の速度を維持しようとする又は減速しようとする）意図がある。この場合に、エアコンプレッサ３２のノイズ及び振動が大きいと乗員は強い違和感を覚える。そこで、アクセル開度がより小さいほど発熱量の上限値をより低くすることにより、低速走行時のノイズ及び振動の発生を抑制し、車速がより高い場合により高い上限値を設定することにより、発熱応答性を向上させるようにしている。なお、所定のアクセル開度Ｄ２以上において要求発熱量を一定としているのは、或る程度の加速度以上では、エアコンプレッサ３２の回転数増加に伴うノイズ及び振動が非常に大きくなるため、乗員に違和感を与えるおそれがあるからである。
【００９５】
図１０に示すステップＳ３２５においてアクセル開度に基づく要求発熱量の上限値を決定すると、運転制御部６１ａは、車速に基づく要求発熱量の上限値とアクセル開度に基づく要求発熱量の上限値とを比較してより小さい上限値を決定し、この決定した上限値と最大発熱量とのうち、より小さな発熱量を要求発熱量として決定する（ステップＳ３３０）。したがって、最大発熱量が、車速に基づく要求発熱量の上限値及びアクセル開度に基づく要求発熱量の上限値のいずれよりも小さい場合には、最大発熱量が要求発熱量として決定される。一方、最大発熱量が、車速に基づく要求発熱量の上限値及びアクセル開度に基づく要求発熱量の上限値の少なくとも一方よりも大きい場合には、これら上限値のいずれか小さい値に要求発熱量が設定される。
【００９６】
このように、ステップＳ３１５〜Ｓ３３０を実行するのは、燃料電池スタック１０は、最低限補償しなければならない応答性を実現可能な電力を未だ出力できない状態であるので、より早期に燃料電池スタック１０を昇温させて燃料電池スタック１０の出力を上昇させたいという要請と、電気車両は走行可能な状態であるので、乗員にできるだけ違和感を与えないようにするという要請とを両立させるためである。
【００９７】
燃料電池スタック１０の温度が上昇し、燃料電池スタック１０の出力可能電力量が所定の出力値（電力量）に達した場合（ステップＳ３１５：ＮＯ）、運転制御部６１ａは、始動時における燃料電池スタック１０の温度（以下、「始動時温度」とも呼ぶ）と、始動時における燃料電池スタック１０内に存在する水の量（含水量）とに基づき、暖機目標温度マップ６３ｉを参照して燃料電池スタック１０の暖機目標温度（暖機終了温度）を決定する（ステップＳ３３５）。
【００９８】
図１２は、図９に示す暖機目標温度マップ６３ｉの設定内容の一例を模式的に示す説明図である。図１２において、横軸は始動時温度を示し、縦軸は暖機目標温度を示す。暖機目標温度マップ６３ｉは、始動時温度と暖機目標温度とを、始動時における燃料電池スタック１０内の含水量に応じて対応付けたマップである。図１２では、始動時における燃料電池スタック１０内の含水量が比較的少ない場合の設定値を曲線Ｌｌ１により示している。また、燃料電池スタック１０の含水量が中程度の場合の設定値を曲線Ｌｍ１により、燃料電池スタック１０の含水量が比較的多い場合の設定値を曲線Ｌｈ１により、それぞれ示している。
【００９９】
各曲線Ｌｌ１，Ｌｍ１，Ｌｈ１に示すように、始動時温度が０℃よりも低い場合には、始動時温度がより低いほど、暖機目標温度はより高い温度に設定されている。これは、以下の理由による。始動時温度がより低いほど飽和水蒸気量は小さいので、燃料電池スタック１０内に含まれる液体の水の量は多くなる。したがって、始動時温度がより低いほど暖機目標温度をより高い温度に設定することにより、燃料電池スタック１０をより高い温度まで暖機して、燃料電池スタック１０内の水を水蒸気として排出し易くするためである。なお、燃料電池スタック１０内の水を排出するのは、各単セル２０におけるガス拡散性の向上等を目的とする。
【０１００】
また、始動時温度が同じ場合には、燃料電池スタック１０内の含水量がより多いほど、暖機目標温度はより高い温度に設定されている。これも、上述した始動時温度がより低いほどより高い暖機目標温度が設定されているのと同じ理由である。
【０１０１】
燃料電池スタック１０内の含水量は、例えば、燃料電池スタック１０のインピーダンスと含水量との対応関係を、予め実験等により求めてマップを設定しておき、ステップＳ３３５を実行する際に燃料電池スタック１０のインピーダンスを測定し、かかるインピーダンスの値に基づき、マップを参照して含水量を決定することができる。一般に、含水量が少ない場合にはインピーダンスは大きくなり、含水量が多い場合にはインピーダンスは小さくなる。また、例えば、前回運転時の各種記録から求めることもできる。具体的には、前回運転時の電流値の記録から、電気化学反応による生成水の量を求め、前回運転時のＦＣ供給エア量Ａｆｃと、燃料電池スタック１０の温度と、燃料電池スタック１０のエア圧力（調圧弁４５の燃料電池スタック１０側の圧力）とから生成水の排出量を求め、生成水量から排出量を減じることにより、燃料電池スタック１０の含水量を求めることもできる。
【０１０２】
なお、図１２に示すように、始動時の温度が０℃以上である場合には、燃料電池スタック１０内の含水量の多少に関わらず、同じ暖機目標温度が設定されている。
【０１０３】
暖機目標温度を設定すると、運転制御部６１ａは、燃料電池スタック１０の温度がステップＳ３３５で決定した暖機目標温度よりも低いか否かを判定する（ステップＳ３４０）。燃料電池スタック１０の温度が暖機目標温度に達していない場合（ステップＳ３４０：ＹＥＳ）、運転制御部６１ａは、現在の燃料電池スタック１０の温度と、始動時における燃料電池スタック１０内の含水量とに基づき、ＦＣ必要発熱量マップ６３ｈを参照して燃料電池スタック１０を昇温させるために必要な発熱量（以下、「ＦＣ必要発熱量」と呼ぶ）を決定する（ステップＳ３４５）。
【０１０４】
図１３は、図９に示すＦＣ必要発熱量マップ６３ｈの設定内容の一例を模式的に示す説明図である。図１３において、横軸は燃料電池スタック１０の温度を示し、縦軸はＦＣ必要発熱量を示す。ＦＣ必要発熱量マップ６３ｈは、燃料電池スタック１０の温度とＦＣ必要発熱量とを、始動時における燃料電池スタック１０内の含水量に応じて対応付けたマップである。図１３では、始動時における燃料電池スタック１０内の含水量が比較的少ない場合の設定値を曲線Ｌｌ２により示している。また、燃料電池スタック１０の含水量が中程度の場合の設定値を曲線Ｌｍ２により、燃料電池スタック１０の含水量が比較的多い場合の設定値を曲線Ｌｈ２により、それぞれ示している。
【０１０５】
３つの曲線Ｌｌ２，Ｌｍ２，Ｌｈ２に示すように、燃料電池スタック１０の温度が同じ温度である場合には、始動時における燃料電池スタック１０内の含水量がより多いほど、ＦＣ必要発熱量としてより大きな発熱量が設定されている。これは、ＦＣ必要発熱量をより多くして、より多くの水を水蒸気として排出し易くするためである。また、各曲線Ｌｌ２，Ｌｍ２，Ｌｈ２に示すように、燃料電池スタック１０の温度が高いほど、ＦＣ必要発熱量は小さく設定されている。これは、燃料電池スタック１０の温度が高いほど、燃料電池スタック１０の昇温スピードを遅くすることにより、暖機終了温度を超えて燃料電池スタック１０を昇温させてしまうことを抑制するためである。暖機終了温度を超えた燃料電池スタックの昇温を抑制することよって無駄な低効率運転を抑制できるので、反応ガスの燃費を向上させることができる。
【０１０６】
運転制御部６１ａは、ステップＳ３４５により決定したＦＣ必要発熱量と、暖房要求発熱量とを足し合わせて、要求発熱量を決定する（ステップＳ３５０）。燃料電池システム１００では、燃料電池スタック１０の出力可能電力量が所定の出力値（電力量）以上となった場合に、図示しない暖房機構に燃料電池スタック１０の廃熱を供給して暖房要求に応答する。したがって、暖房要求があった場合には、この暖房要求を満たす量の暖房要求発熱量と、燃料電池スタック１０の昇温のための発熱量（ＦＣ必要発熱量）とを足し合わせた熱量を、要求発熱量として決定する（ステップＳ３５０）。なお、暖房要求がない場合には、要求発熱量としてＦＣ必要発熱量が決定される。
【０１０７】
前述のステップＳ３４０において、燃料電池スタック１０の温度が暖機目標温度以上であると判定した場合（ステップＳ３４０：ＮＯ）、運転制御部６１ａは、暖房要求発熱量と、燃料電池スタック１０の温度を維持するために必要な発熱量（以下、「ＦＣ温度維持発熱量」と呼ぶ）とを足し合わせた熱量を、要求発熱量として決定する（ステップＳ３５５）。
【０１０８】
ＦＣ温度維持発熱量は、予め暖機目標温度毎に設定されており、かかる設定値をＲＯＭ６３から読み出すことにより得ることができる。なお、暖機目標温度に加えて、外気温や客室温度に応じた熱量を、ＦＣ温度維持発熱量として設定しておくこともできる。暖房要求発熱量は、前述のステップＳ３５０における暖房要求発熱量と同じである。
【０１０９】
以上の構成を有する第３実施例の燃料電池システム１００ａは、第１実施例の燃料電池システム１００と同様の効果を有する。加えて、電気車両が走行可能状態となり、燃料電池スタック１０の出力が、燃料電池スタック１０の出力応答性として最低限補償しなければならない応答性を実現可能な出力に達するまでの間においては、エアコンプレッサ３２の回転数増加に伴うノイズ及び振動が乗員に違和感を与えない程度に、より大きな発熱量を要求発熱量として設定される。したがって、燃料電池スタック１０の昇温速度をより高めたいとする要請と、ノイズ及び振動に起因する違和感を乗員に与えないとする要請とを両立させることができる。
【０１１０】
また、暖機目標温度（暖機終了温度）として、始動時温度がより低いほど、また、始動時の燃料電池スタック１０内の含水量がより多いほど、より高い温度を設定するので、低効率運転により燃料電池スタック１０自体に与える熱量をより多くすることができる。したがって、燃料電池スタック１０内に存在する水が多い状況であっても、かかる水を水蒸気として燃料電池スタック１０から排出させることができる。
【０１１１】
また、ＦＣ必要発熱量として、始動時の燃料電池スタック１０内の含水量がより多いほど、より大きな発熱量を設定するので、燃料電池スタック１０内に存在する水が多い状況であっても、かかる水を水蒸気として燃料電池スタック１０から排出させることができる。また、燃料電池スタック１０の温度が高いほど、ＦＣ必要発熱量としてより小さな発熱量を設定するので、燃料電池スタック１０の温度の上昇スピードをより遅くすることができる。したがって、暖機終了温度を超えて燃料電池スタック１０を昇温させることを抑制できるので、無駄な低効率運転の実行を抑制でき、反応ガスの燃費を向上させることができる。このように、第３実施例の燃料電池システム１００ａによると、燃料電池スタック１０の出力応答性及び発熱応答性を向上させるという課題に加えて、低効率運転の際のノイズ及び振動に起因する違和感を乗員に与えないようするという課題を解決することができる。さらに、始動時において燃料電池スタック１０内に残存する水によるガス拡散性の低下を抑制するという課題を解決することができる。
【０１１２】
Ｄ．第４実施例：
図１４は、第４実施例におけるＦＣ必要エア量決定処理の手順を示す説明図である。図１４に示すＦＣ必要エア量Ａｆｃ決定処理は、図４に示すステップＳ１２５として実行される。第４実施例の燃料電池システムは、ＦＣ必要エア量Ａｆｃを決定する際に図１４に示すＦＣ必要エア量決定処理を実行する点において、第１実施例の燃料電池システム１００と異なり、他の構成は第１実施例と同じである。
【０１１３】
運転制御部６１ａは、図４に示すステップＳ１１５により決定した目標電流値Ｉｒｅｆ及びステップＳ１２０により決定したエアストイキ比に基づき、上記式４を用いてＦＣ必要エア量Ａｆｃを算出する（ステップＳ４０５）。
【０１１４】
運転制御部６１ａは、減速要求されているか否かを判定する（ステップＳ４１０）。この判定は、例えば、現在の出力値（現在の電圧値Ｖｏｒｇ×現在の電流値Ｉｏｒｇ）よりも、目標出力値（目標電流値Ｉｒｅｆ×目標電圧値Ｖｒｅｆ）が小さい場合には、減速要求されていると判定することができる。また、例えば、アクセル開度が小さくなった場合や、ブレーキが踏まれたことにより、減速要求されているか否かを判定することができる。
【０１１５】
減速要求されていると判定した場合（ステップＳ４１５：ＹＥＳ）、運転制御部６１ａは、ステップＳ４０５で算出したＦＣ必要エア量Ａｆｃと、現在のＦＣ供給エア量Ａｆｃ＿ｏｒｇとの差分のエア量が、所定値Ａｆｃ＿ｃよりも多いか否かを判定する（ステップＳ４１５）。差分エア量が所定値Ａｆｃ＿ｃよりも多いと判定した場合には、運転制御部６１ａは、現在のＦＣ供給エア量Ａｆｃ＿ｏｒｇに所定値Ａｆｃ＿ｃを加えて、補正後のＦＣ必要エア量Ａｆｃ’を決定する（ステップＳ４２０）。したがって、ステップＳ４１５及びＳ４２０の結果、減速要求されている場合には、ＦＣ必要エア量Ａｆｃの増加量は、所定量Ａｆｃ＿ｃ以下に制限されることとなる。
【０１１６】
このように、減速要求されている場合にＦＣ必要エア量Ａｆｃの増加量を所定量Ａｆｃ＿ｃに制限しているのは、以下の理由による。電気車両が減速して要求出力が低下しても、燃料電池スタック１０の昇温のために要求発熱量は低下しないので、電流値の減少量は小さい。この場合、要求出力と要求発熱量とを満たすために濃度過電圧を増やすこととなるが、その結果として、ポンピング水素の発生量が増えるため希釈用のエア量が増加させる必要があり、エアコンプレッサ３２の回転数が増加してノイズ及び振動が大きくなるおそれがある。この場合、電気車両を減速させようとしているのにも関わらず、ノイズ及び振動が大きくなり、乗員に強い違和感を与えてしまう。そこで、第４実施例の燃料電池システムでは、減速要求されている場合にＦＣ必要エア量Ａｆｃの増加量を所定量Ａｆｃ＿ｃ以下に制限することにより、エアコンプレッサ３２の回転数増加に伴うノイズ及び振動の増加を抑制し、乗員に違和感を与えることを抑制する。なお、所定値Ａｆｃ＿ｃは、予め実験等により、乗員が違和感を覚えない程度のエア量を求めて設定することができる。
【０１１７】
前述のステップＳ４１０において減速要求されていないと判定した場合、及び前述のステップＳ４１５において差分エア量が所定値Ａｆｃ＿ｃ以下であると判定した場合には、ＦＣ必要エア量決定処理は終了し、ステップＳ４０５において算出したエア量が、ＦＣ必要エア量Ａｆｃとして設定されることとなる。
【０１１８】
以上の構成を有する第４実施例の燃料電池システムは、第１実施例の燃料電池システム１００と同様の効果を有する。加えて、減速要求されている場合において、ＦＣ必要エア量の増加量を所定値Ａｆｃ＿ｃ以下に抑制することができるので、電気車両を減速させようとしているのにも関わらず、エアコンプレッサ３２のノイズ及び振動が大きくなることによる違和感を乗員に与えないようにすることができる。このように、第４実施例の燃料電池システムによると、燃料電池スタック１０の出力応答性及び発熱応答性を向上させるという課題に加えて、電気車両の減速要求時におけるノイズ及び振動に起因する違和感を、乗員に与えないようするという課題を解決することができる。
【０１１９】
Ｅ．変形例：
なお、上記各実施例における構成要素の中の、独立クレームでクレームされた要素以外の要素は、付加的な要素であり、適宜省略可能である。また、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
【０１２０】
Ｅ１．変形例１：
第１〜３実施例では、ＦＣ必要エア量Ａｆｃが不足エア量Ａｌｃよりも小さい場合に、供給エア量Ａａｃとして不足エア量Ａｌｃを設定していたが、不足エア量Ａｌｃに代えて、不足エア量Ａｌｃとは異なるエア量を、ＦＣ必要エア量Ａｆｃとして設定することもできる。この場合、不足エア量マップとして、図３に示す不足エア量マップ６３ｅとは異なるマップを利用することができる。
【０１２１】
図１５は、変形例１における不足エア量マップの設定内容の例を示す説明図である。図１５において、横軸及び縦軸は、図３の横軸及び縦軸と同じである。図１５では、変形例１における第１の不足エア量マップ６３ｘ，第２の不足エア量マップ６３ｙ，及び第３の不足エア量マップ６３ｚを示している。なお、図３に示す第１実施例の不足エア量マップ６３ｅを破線で示している。
【０１２２】
第１の不足エア量マップ６３ｘでは、不足エア量として、二次電池２２０の出力可能電力量が５０ｋＷ以下において、第１実施例の不足エア量マップ６３ｅよりも所定量だけ多いエア量が設定されている。したがって、図４に示すステップＳ１５０において設定されるエアコンプレッサ３２の供給エア量Ａａｃは、第１実施例において設定されるエア量よりも多くなる。このような構成により、供給エア量Ａａｃを不足エア量Ａｌｃよりも多くできるので、所定の応答性を確実に実現することができる。
【０１２３】
第２の不足エア量マップ６３ｙでは、不足エア量として、二次電池２２０の出力可能電力量が５０ｋＷ以下において、いずれも３７００Ｎｌ／ｍｉｎが設定されている。この構成においても、ステップＳ１５０において設定されるエアコンプレッサ３２の供給エア量Ａａｃは、第１実施例において設定されるエア量以上となる。このような構成により、二次電池２２０の出力可能電力量が５０ｋＷ以下の場合には、二次電池２２０の出力可能電力量によらず供給エア量Ａａｃを一定にすることができるので、処理をシンプルにすることができる。
【０１２４】
第３の不足エア量マップ６３ｚでは、不足エア量として、二次電池２２０の出力可能電力量が５０ｋＷ以下において、第１実施例の不足エア量マップ６３ｅよりも少ないエア量が設定されている。このような構成においても、ＦＣ必要エア量Ａｆｃが不足エア量Ａｌｃよりも少ない場合において、エアコンプレッサ３２の供給エア量ＡａｃとしてＦＣ必要エア量Ａｆｃよりも多いエア量を設定することができる。したがって、所定のエア供給応答性は実現できないが、エアコンプレッサ３２の供給エア量ＡａｃとしてＦＣ必要エア量Ａｆｃを設定する構成に比べて、エア供給応答性を向上させることができる。それゆえ、燃料電池スタック１０の出力応答性及び発熱応答性を向上させることができる。
【０１２５】
すなわち、一般には、二次電池２２０の出力可能電力が５０ｋＷ以下の場合に（供給ガス流量を０から所定のガス流量まで所定の期間内に増加させるためにエアコンプレッサ３２が要する最低電力以下の場合に）、目標電流値Ｉｒｅｆを実現するために燃料電池スタック１０に供給されるべきエア量（ＦＣ必要エア量Ａｆｃ）よりも多いガス流量を、エアコンプレッサ３２の供給エア量Ａａｃとして設定する任意の構成を、本発明の燃料電池システムに採用することができる。
【０１２６】
Ｅ２．変形例２：
第３実施例では、燃料電池スタック１０の温度が０℃よりも高く、かつ、燃料電池スタック１０の出力可能電力量が所定の出力値よりも小さい場合に、車速に基づく発熱量上限値及びアクセル開度に基づく発熱量上限値を設定し、要求発熱量がこれら上限値以下となるように制限していたが、本発明はこれに限定されるものではない。ステップＳ３２０及びＳ３２５のうち、いずれか一方を省略し、他方の上限値を用いて要求発熱量を制限することもできる。また、例えば、ステップＳ３１５〜Ｓ３３０を省略し、燃料電池スタック１０の温度が０℃以上となった場合には、ステップＳ３３５〜Ｓ３５５を実行することもできる。この構成においても、燃料電池スタック１０内の含水量に応じて要求発熱量を決定することができるので、燃料電池スタック１０内に残存する水を排出し易くすることができる。
【０１２７】
また、ステップＳ３３５〜Ｓ３５５までの処理を省略して、燃料電池スタック１０の温度が、０℃以上であり、かつ、暖機目標温度以下の場合には、ステップＳ３１５〜Ｓ３３０を実行することもできる。この構成においても、車速及びアクセル開度に応じて発熱量の上限値を制限できるので、乗員に対してノイズや振動の違和感を与えないようにすることができる。
【０１２８】
Ｅ３．変形例３：
各実施例では、ＦＣ必要エア量Ａｆｃとバイパスエア量Ａｂｐとの流量比を制御するために、バイパス弁４４及び調圧弁４５を用いていたが、いずれか一方のみで制御することもできる。かかる構成では、流量比を制御するために用いる一つの弁が、請求項における流量調整弁に相当する。すなわち、一般には、酸化剤ガス供給部から供給される酸化剤ガスのうち、酸化剤ガス供給路から燃料電池に向かう酸化剤ガスの流量と、酸化剤ガス供給路からバイパス流路に向かう酸化剤ガスの流量との流量比を調整する流量調整弁を、本発明の燃料電池システムに採用することができる。
【０１２９】
Ｅ４．変形例４：
各実施例では、燃料電池システムは、電気車両に搭載されて用いられていたが、これに代えて、ハイブリッド自動車，船舶，ロボットなどの各種移動体に適用することもできる。また、燃料電池スタック１０を定置型電源として用い、燃料電池システムをビルや一般住宅等の建物における暖房システムに適用することもできる。
【０１３０】
Ｅ５．変形例５：
各実施例では、酸化剤ガスとして空気を用いていたが、空気に代えて、酸素を含む任意の気体を酸化剤ガスとして用いることもできる。
【０１３１】
Ｅ６．変形例６：
上記実施例において、ソフトウェアによって実現されていた構成の一部をハードウェアに置き換えるようにしてもよい。また、これとは逆に、ハードウェアによって実現されていた構成の一部をソフトウェアに置き換えるようにしてもよい。
【符号の説明】
【０１３２】
１０…燃料電池スタック
１６…温度センサ
２０…単セル
２１…アノード側セパレータ
２２…ＭＥＡ
２３…カソード側セパレータ
３１…水素タンク
３２…エアコンプレッサ
４２…遮断弁
４３…水素ガス供給弁
４４…バイパス弁
４５…調圧弁
４６…パージ弁
４７…循環ポンプ
５１…水素ガス供給路
５２…アノードオフガス排出路
５３…水素ガスバイパス路
５４…空気供給路
５５…カソードオフガス排出路
５６…空気バイパス路
６０…制御ユニット
６１…ＣＰＵ
６２…ＲＡＭ
６３…ＲＯＭ
６１ａ…運転制御部
６１ｂ…ＦＣ必要エア量決定部
６１ｃ…供給エア量決定部
６１ｄ…弁制御部
６１ｅ…出力可能電力量取得部
６３ａ…回転数マップ
６３ｂ…エアストイキ比マップ
６３ｃ…弁開度マップ
６３ｄ…出力可能電力量マップ
６３ｅ…不足エア量マップ
６３ｆ…第１発熱量制限マップ
６３ｇ…第２発熱量制限マップ
６３ｉ…暖機目標温度マップ
６３ｈ…ＦＣ必要発熱量マップ
６３ｘ…第１の不足エア量マップ
６３ｙ…第２の不足エア量マップ
６３ｚ…第３の不足エア量マップ
１００，１００ａ…燃料電池システム
２００…駆動用モータ
２１０…ＤＣ−ＤＣコンバータ
２２０…二次電池
２２１…ＳＯＣ算出手段
Ａｆｃ…必要エア量
Ａｌｃ…不足エア量
Ａｂｐ…バイパスエア量
【図１】
2011148426.tif 000009
【図２】
2011148426.tif 000010
【図３】
2011148426.tif 000011
【図４】
2011148426.tif 000012
【図５】
2011148426.tif 000013
【図６】
2011148426.tif 000014
【図７】
2011148426.tif 000015
【図８】
2011148426.tif 000016
【図９】
2011148426.tif 000017
【図１０】
2011148426.tif 000018
【図１１】
2011148426.tif 000019
【図１２】
2011148426.tif 000020
【図１３】
2011148426.tif 000021
【図１４】
2011148426.tif 000022
【図１５】
2011148426.tif 000023
【手続補正書】
【提出日】平成23年4月25日(2011.4.25)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池の廃熱の利用に関する。
【背景技術】
【０００２】
低温環境下において燃料電池を始動する際に、通常運転よりも低効率で燃料電池を発電させる運転（以下、「低効率運転」と呼ぶ）を行うことにより燃料電池の熱損失（廃熱）を増加させ、廃熱により燃料電池を暖機する技術が提案されている。また、低効率運転を、燃料電池に接続された負荷に対して燃料電池から電力を供給している状態において実行する技術も提案されている。例えば、燃料電池を搭載した電気車両において、始動直後から低効率運転を開始し、燃料電池が所定の温度に達したタイミングで車両走行が開始され、以後、暖機完了温度に達するまで、走行しながら燃料電池を暖機する技術が提案されている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、負荷に電力を供給しながら低効率運転を実行する場合における燃料電池の出力応答性及び発熱応答性の向上については、なお改善の余地があった。
【０００４】
本発明は、燃料電池から負荷に電力を供給しながら低効率運転を行う場合において、燃料電池の出力応答性及び発熱応答性を向上させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。
【０００６】
［適用例１］燃料電池システムであって、燃料電池と、前記燃料電池と接続された二次電池と、前記二次電池から供給される電力により駆動され、前記燃料電池の発電に利用される酸化剤ガスを、前記燃料電池に供給する酸化剤ガス供給部と、前記酸化剤ガス供給部により供給される前記酸化剤ガスの供給量である供給ガス流量を調整する供給ガス流量調整部と、前記酸化剤ガス供給部と前記燃料電池とを連通する酸化剤ガス供給路と、前記燃料電池のカソード側オフガスを排出するカソード側オフガス排出路と、前記酸化剤ガス供給路と前記カソード側オフガス排出路とを接続するバイパス流路と、前記酸化剤ガス供給部から供給される前記酸化剤ガスのうち、前記酸化剤ガス供給路から前記燃料電池に向かう酸化剤ガスの流量である燃料電池必要ガス流量と、前記酸化剤ガス供給路から前記バイパス流路に向かう酸化剤ガスの流量であるバイパス流量との流量比を調整する流量調整弁と、前記二次電池の出力可能電力量を取得する出力可能電力量取得部と、前記燃料電池に対する要求出力及び要求発熱量に基づき前記燃料電池の目標電流値及び目標電圧値を決定すると共に、前記流量調整弁を制御して前記燃料電池必要ガス流量及び前記バイパス流量を調整することにより、前記燃料電池が前記燃料電池の電流対電圧特性曲線上にある場合に比べて発電効率の低い動作点で運転する低効率運転を実行する運転制御部と、を備え、前記供給ガス流量調整部は、前記供給ガス流量を０から所定のガス流量まで所定期間内に増加させるために前記酸化剤ガス供給部が要する最低電力よりも、前記出力可能電力量が小さい場合に、前記目標電流値を実現するために前記燃料電池に供給されるべき前記燃料電池必要ガス流量である目標燃料電池必要ガス流量よりも多いガス流量である過剰ガス流量を前記酸化剤ガス供給部が供給するように、前記供給ガス流量を調整し、前記運転制御部は、前記バイパス流量が、前記過剰ガス流量と前記目標燃料電池必要ガス流量との差分のガス流量となるように、前記流量調整弁を制御する、燃料電池システム。
【０００７】
適用例１の燃料電池システムでは、二次電池の出力可能電力量が、供給ガス流量を０から所定のガス流量まで所定期間内に増加させるために酸化剤ガス供給部が要する最低電力よりも小さい場合に、酸化剤ガス供給部が過剰ガス流量を供給するように供給ガス流量が調整されるので、燃料電池に接続された負荷が大きくなり燃料電池必要ガス流量を増加させる必要があり、かつ、二次電池の出力可能電力量が小さい場合であっても、酸化剤ガス供給部が予め過剰ガス流量を供給しているので、バイパス流量を減少させることにより酸化剤ガスの供給応答性の劣化を抑制できる。したがって、燃料電池から負荷に電力を供給しながら低効率運転を行っている際に負荷が増加した場合であっても、燃料電池スタックの出力応答性及び発熱応答性を向上させることができる。
【０００８】
［適用例２］適用例１に記載の燃料電池システムにおいて、前記供給ガス流量調整部は、前記出力可能電力量が小さいほど前記過剰ガス流量が多くなるように前記供給ガス流量を調整する、燃料電池システム。
【０００９】
このような構成により、二次電池の出力可能電力量がより小さいために二次電池から供給される電力によって酸化剤ガス供給部が供給可能な供給ガス流量がより少ない場合であっても、酸化剤ガス供給部がより多くの過剰ガス流量を供給しているので、燃料電池に接続されている負荷がより大きくなり燃料電池必要ガス流量が増加した場合に、酸化剤ガスの供給応答性の劣化を抑制できる。
【００１０】
［適用例３］適用例１または適用例２に記載の燃料電池システムにおいて、前記過剰ガス流量は、前記出力可能電力量値に応じて予め定められている前記供給ガス流量であって、前記供給ガス流量を前記所定のガス流量まで前記所定期間内に増加させるために予め必要な前記供給ガス流量である、燃料電池システム。
【００１１】
このような構成により、二次電池の出力可能電力量が小さい場合であっても、供給ガス流量を所定のガス流量まで所定期間内に増加させることができる。したがって、二次電池の出力可能電力量が小さい場合であっても、酸化剤ガス供給部の酸化剤ガスの供給応答性として所定の応答性を維持することができる。
【００１２】
［適用例４］適用例１ないし適用例３のいずれかに記載の燃料電池システムにおいて、前記運転制御部は、前記要求出力及び前記要求発熱量に基づき決定した前記目標電流値を、前記燃料電池のコンデンサ成分に起因する電流値に基づき補正する、燃料電池システム。
【００１３】
このような構成により、燃料電池の目標電圧値を変化させた際に生じる燃料電池のコンデンサ成分による変動エネルギー量をキャンセルするように目標電流値を決定することができる。したがって、燃料電池を目標とする動作点で運転するように正確に制御することができるので、燃料電池スタックの出力応答性及び発熱応答性を向上させることができる。
【００１４】
［適用例５］適用例１ないし適用例４のいずれかに記載の燃料電池システムにおいて、さらに、前記燃料電池の始動時における前記燃料電池内の残水量を取得する残水量取得部を備え、前記運転制御部は、前記低効率運転を終了させる温度である終了温度を、前記残水量が多いほど高くなるように設定する、燃料電池システム。
【００１５】
このような構成により、始動時における燃料電池内の残水量が多いほど終了温度が高く設定されるので、低効率運転において燃料電池自体に与える熱量をより多くすることができる。したがって、残水量が多い状況であっても、水を水蒸気として燃料電池から容易に排出させることができる。
【００１６】
［適用例６］適用例１ないし適用例５のいずれかに記載の燃料電池システムにおいて、さらに、前記燃料電池の温度である燃料電池温度を取得する温度取得部を備え、前記運転制御部は、前記低効率運転を終了させる温度である終了温度を、前記燃料電池の始動時における前記燃料電池温度がより低いほどより高くなるように設定する、燃料電池システム。
【００１７】
一般に、始動時における燃料電池温度がより低いほど燃料電池内に残留する水はより多い。適用例６の構成により、始動時における燃料電池温度がより低いほど終了温度をより高くなるように設定されるので、低効率運転において燃料電池自体に与える熱量をより多くすることができる。したがって、残水量が多い状況であっても、水を水蒸気として燃料電池から容易に排出させることができる。
【００１８】
［適用例７］適用例１ないし適用例６のいずれかに記載の燃料電池システムにおいて、さらに、前記要求発熱量を決定する要求発熱量決定部と、前記燃料電池の温度である燃料電池温度を取得する温度取得部と、を備え、前記運転制御部は、前記燃料電池温度が前記低効率運転を終了させる温度である終了温度に達するまで前記低効率運転を実行し、前記要求発熱量は、少なくとも前記燃料電池を昇温させるための発熱量である昇温要求発熱量を含み、前記要求発熱量決定部は、前記燃料電池温度が、前記車両が走行可能状態であると判定可能な所定の温度以上であり、かつ、前記終了温度よりも低い場合に、前記昇温要求発熱量を、前記燃料電池温度がより高いほどより低くなるように決定する、燃料電池システム。
【００１９】
このような構成により、燃料電池温度がより高いほど、燃料電池の温度の上昇スピードをより遅くすることができる。したがって、低効率運転の終了温度を超えて燃料電池を昇温させることを抑制できるので、無駄な低効率運転の実行を抑制でき、反応ガスの燃費を向上させることができる。
【００２０】
［適用例８］適用例７に記載の燃料電池システムにおいて、前記燃料電池システムは、アクセルを有する車両に搭載され、前記燃料電池システムは、さらに、前記車両の速度を取得する速度取得部と、前記アクセルの開度を取得するアクセル開度取得部と、を備え、前記要求発熱量決定部は、前記燃料電池温度が、前記所定の温度以上であり、かつ、前記終了温度よりも低い場合に、前記昇温要求発熱量を、前記車両の速度に応じた上限値と、前記アクセルの開度に応じた上限値とのうち、少なくとも一方の上限値以下に決定し、前記車両の速度に応じた上限値は、前記車両の速度がより高いほどより大きな値が設定され、前記アクセルの開度に応じた上限値は、前記アクセルの開度がより大きいほどより大きな値が設定されている、燃料電池システム。
【００２１】
一般に、酸化剤ガス供給部の駆動に伴うノイズや振動は、車両の速度がより低いほど、また、アクセルの開度がより大きいほど、乗員に違和感をより強く与える。したがって、このような構成により、要求発熱量が、車両の速度に応じた上限値とアクセル開度に応じた上限値とのうち少なくとも一方の上限値以下に制限されるので、酸化剤ガス供給部の駆動に伴うノイズや振動による違和感を乗員に与えることを抑制できる。
【００２２】
［適用例９］適用例１ないし適用例８のいずれかに記載の燃料電池システムにおいて、前記燃料電池システムは、車両に搭載され、前記燃料電池システムは、さらに、前記車両に対する減速要求を取得する減速要求取得部を備え、前記供給ガス流量調整部は、前記減速要求があった場合には、前記供給ガス流量を調整する際の変化量が所定量以下となるように、前記供給ガス流量を調整する、燃料電池システム。
【００２３】
このような構成により、減速要求があった場合に、供給ガス流量の変化量が所定量以下とすることができるので、減速要求をしたにも関わらず、供給ガス流量の変化に伴う酸化剤ガス供給部の駆動に伴うノイズや振動が大きくなってしまい、乗員に強い違和感を与えてしまうことを抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の一実施例としての燃料電池システムの概略構成を示す説明図。
【図２】図１に示すエアストイキ比マップ６３ｂの設定内容の一例を模式的に示す説明図である。
【図３】図１に示す不足エア量マップ６３ｅの設定内容の一例を模式的に示す説明図である。
【図４】本実施例におけるエア供給量制御処理の手順を示すフローチャートである。
【図５】目標動作点決定処理の手順を示すフローチャートである。
【図６】濃度過電圧の求め方を模式的に示す説明図である。
【図７】本実施例のエア供給量制御処理を行った場合に設定されるエアコンプレッサの供給エア量の一例を示す説明図である。
【図８】第２の実施例における目標動作点決定処理の手順を示すフローチャートである。
【図９】第３実施例の燃料電池システムの概略構成を示す説明図である。
【図１０】第３実施例における要求発熱量決定処理の手順を示すフローチャートである。
【図１１】図９に示す第１発熱量制限マップ及び第２発熱量制限マップの設定内容の一例を模式的に示す説明図である。
【図１２】図９に示す暖機目標温度マップ６３ｉの設定内容の一例を模式的に示す説明図である。
【図１３】図９に示すＦＣ必要発熱量マップ６３ｈの設定内容の一例を模式的に示す説明図である。
【図１４】第４実施例におけるＦＣ必要エア量決定処理の手順を示す説明図である。
【図１５】変形例１における不足エア量マップの設定内容の例を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
Ａ．第１実施例：
Ａ１．システム構成：
図１は、本発明の一実施例としての燃料電池システムの概略構成を示す説明図である。本実施例において、燃料電池システム１００は、駆動用電源を供給するためのシステムとして、電気車両に搭載されて用いられる。燃料電池システム１００は、燃料電池スタック１０と、水素ガス供給路５１と、アノードオフガス排出路５２と、水素ガスバイパス路５３と、空気供給路５４と、カソードオフガス排出路５５と、空気バイパス路５６と、水素タンク３１と、遮断弁４２と、水素ガス供給弁４３と、パージ弁４６と、循環ポンプ４７と、エアコンプレッサ３２と、調圧弁４５と、バイパス弁４４と、温度センサ１６と、ＤＣ−ＤＣコンバータ２１０と、二次電池２２０と、ＳＯＣ算出手段２２１と、制御ユニット６０とを備えている。
【００２６】
燃料電池スタック１０は、積層された複数の単セル２０を備えている。単セル２０は、アノード側セパレータ２１と、電解質膜を有するＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly）２２と、カソード側セパレータ２３とを備えており、ＭＥＡ２２をアノード側セパレータ２１とカソード側セパレータ２３とで挟んだ構成を有している。
【００２７】
水素ガス供給路５１は、水素タンク３１と燃料電池スタック１０とを連通し、水素タンク３１から供給される水素ガスを燃料電池スタック１０に導くための流路である。アノードオフガス排出路５２は、燃料電池スタック１０のアノードからアノードオフガス（余剰水素ガス）を排出するための流路である。水素ガスバイパス路５３は、アノードオフガス排出路５２と水素ガス供給路５１とを連通し、燃料電池スタック１０から排出される水素ガス（反応に用いられなかった水素ガス）を水素ガス供給路５１に戻すための流路である。
【００２８】
空気供給路５４は、エアコンプレッサ３２と燃料電池スタック１０とを連通し、エアコンプレッサ３２から供給される圧縮空気を燃料電池スタック１０に導くための流路である。カソードオフガス排出路５５は、燃料電池スタック１０のカソードからカソードオフガスを排出するための流路である。カソードオフガスには、通常運転時には、燃料電池スタック１０において電気化学反応に用いられなかった余剰空気と、燃料電池スタック１０における電気化学反応により生じた水とが含まれ、低効率運転時には、これら余剰空気及び生成水に加え、低効率運転の際にカソードにおいて下記式１に示す化学反応によって発生する水素（以下、「ポンピング水素」と呼ぶ）が含まれる。なお、本実施例において、「低効率運転」とは、通常運転（燃料電池スタック１０がＩ−Ｖ特性曲線上の動作点で運転している状態）よりも発電効率を低下させた運転を意味する。
【００２９】
【数１】
2011148426.tif 000024
【００３０】
空気バイパス路５６は、空気供給路５４とカソードオフガス排出路５５とを連通し、エアコンプレッサ３２により供給される空気を、燃料電池スタック１０を介さずにカソードオフガス排出路５５に供給するための流路である。
【００３１】
水素タンク３１は、高圧水素ガスを貯蔵している。遮断弁４２は、水素タンク３１の図示しない水素ガス排出口に配置されており、水素ガスの供給及び停止を行う。水素ガス供給弁４３は、水素ガス供給路５１に配置されており、弁開度を調整することによって燃料電池スタック１０に供給される水素ガスの圧力および流量を調整する。パージ弁４６は、アノードオフガスを、アノードオフガス排出路５２から大気へと放出するための弁である。循環ポンプ４７は、水素ガスバイパス路５３内において水素ガスをアノードオフガス排出路５２から水素ガス供給路５１へと流通させるためのポンプである。
【００３２】
エアコンプレッサ３２は、空気供給路５４に配置され、外部から取り込んだ空気を加圧して燃料電池スタック１０に供給する。エアコンプレッサ３２としては、例えば、インペラが回転して圧縮を行う遠心式のコンプレッサや、動翼（ロータ）が回転して圧縮を行う軸流式のコンプレッサを用いることができる。エアコンプレッサ３２の駆動電力は、燃料電池スタック１０から供給される。調圧弁４５は、燃料電池スタック１０側の圧力（背圧）を調整するための弁である。バイパス弁４４は、空気バイパス路５６において、空気供給路５４からカソードオフガス排出路５５へと流通する空気量を調整するための弁である。温度センサ１６は、カソードオフガス排出路５５において燃料電池スタック１０近傍に配置されている。本実施例では、温度センサ１６により検知した温度を、燃料電池スタック１０の温度及び二次電池２２０の温度として採用する。
【００３３】
ＤＣ−ＤＣコンバータ２１０は、二次電池２２０及び燃料電池スタック１０と接続されており、二次電池２２０から供給される直流電圧を昇圧して、図示しないインバータを介して負荷に出力する。本実施例において負荷とは、電気車両の駆動用モータ２００と、エアコンプレッサ３２や循環ポンプ４７等の補機を意味する。また、ＤＣ−ＤＣコンバータ２１０は、燃料電池スタック１０の発電により得られた電力を降圧して二次電池２２０に充電する。二次電池２２０としては、例えば、ニッケル・カドミウム蓄電池や、ニッケル・水素蓄電池や、リチウム二次電池等を採用することができる。ＳＯＣ算出手段２２１は、二次電池２２０の充電電力量（ＳＯＣ：State Of Charge）を算出する。
【００３４】
制御ユニット６０は、エアコンプレッサ３２と、ＤＣ−ＤＣコンバータ２１０と、各弁４２〜４７と電気的に接続されており、これら各要素を制御する。また、制御ユニット６０は、温度センサ１６及びＳＯＣ算出手段２２１と電気的に接続されており、これら各要素から測定値及び算出値を受信する。
【００３５】
制御ユニット６０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）６１と、ＲＡＭ（Random Access Memory）６２と、ＲＯＭ（Read Only Memory）６３とを備えている。ＲＯＭ６３には、燃料電池システム１００を制御するための図示しない制御プログラムが格納されており、ＣＰＵ６１は、ＲＡＭ６２を利用しながらこの制御プログラムを実行することにより、運転制御部６１ａ，燃料電池（ＦＣ）必要エア量決定部６１ｂ，供給エア量決定部６１ｃ，弁制御部６１ｄ，出力可能電力量取得部６１ｅとして機能する。
【００３６】
運転制御部６１ａは、燃料電池スタック１０に供給する反応ガス（空気及び水素ガス）の量、及び燃料電池スタック１０の電圧を制御することにより、燃料電池スタック１０の出力（発電量）及び発熱量を制御する。空気量の制御は、エアコンプレッサ３２の回転数を調整することにより実現する。水素ガス流量の制御は、弁制御部６１ｄを介して水素ガス供給弁４３の開度を調整することにより実現する。燃料電池スタック１０の電力制御は、ＤＣ−ＤＣコンバータ２１０を介して行う。また、運転制御部６１ａは、図示しないアクセルの開度及び車速に基づき、燃料電池スタック１０への要求出力値を算出する。
【００３７】
ＲＯＭ６３には、回転数マップ６３ａと、エアストイキ比マップ６３ｂと、弁開度マップ６３ｃと、出力可能電力量マップ６３ｄと、不足エア量マップ６３ｅとが、予め記憶されている。回転数マップ６３ａは、エアコンプレッサ３２のインペラの回転数とエアコンプレッサ３２の供給エア量とを対応付けたマップであり、予め実験等により求めて設定される。
【００３８】
図２は、図１に示すエアストイキ比マップ６３ｂの設定内容の一例を模式的に示す説明図である。図２において、横軸はエアストイキ比を示し、縦軸は濃度過電圧を示す。燃料電池システム１００では、低効率運転として、燃料電池スタック１０への供給エア量を抑制することにより濃度過電圧を生じさせて燃料電池スタック１０の廃熱量を増加させる公知の方法を採用する。この低効率運転時におけるエアストイキ比と濃度過電圧との関係は、予め実験等により求めることができる。なお、エアストイキ比とは、燃料電池スタック１０を構成する各単セル２０がＩ−Ｖ特性曲線上の動作点で運転するために必要な理論上のエア量に対して、実際に燃料電池スタック１０に供給するエア量の比率を意味する。図２に示すように、エアストイキ比が高いほど（すなわち、供給エア量が多くなるほど）、濃度過電圧は低くなり、ストイキ比が０．９〜１．１の範囲で急激に低下する。
【００３９】
図１に示す弁開度マップ６３ｃは、エア量と、バイパス弁４４及び調圧弁４５の弁開度とを対応付けたマップである。バイパス弁４４の開度が大きいほど空気バイパス路５６のエア量は大きく、また、調圧弁４５の開度が大きいほど空気供給路５４のエア量及びカソードオフガス排出路５５のエア量は大きくなる。そこで、燃料電池システム１００では、予めバイパス弁４４及び調圧弁４５の開度と各エア量との関係を実験により求め、ＲＯＭ６３に格納されている。出力可能電力量マップ６３ｄは、二次電池２２０の充電電力量（ＳＯＣ）及び二次電池２２０の温度と、二次電池２２０の出力可能な最大電力量とを対応付けたマップである。二次電池２２０のＳＯＣが大きいほど出力可能電力量は大きく、また、二次電池２２０の温度が高いほど出力可能電力量は大きい。そこで、二次電池２２０のＳＯＣ及び二次電池２２０の温度と出力可能電力量との関係を予め実験により求め、出力可能電力量マップ６３ｄとしてＲＯＭ６３に格納することができる。
【００４０】
図３は、図１に示す不足エア量マップ６３ｅの設定内容の一例を模式的に示す説明図である。図３において、横軸は二次電池２２０の出力可能電力量を示し、縦軸はエアコンプレッサ３２により供給されるエア量の不足分を示す。
【００４１】
低温環境下においては、二次電池２２０の出力可能電力量が低いために、所定のエア供給応答性を満たすための電力をエアコンプレッサ３２に供給できないおそれがある。本実施例では、所定のエア応答性として、１秒間で最大エア供給量である３７００Ｎｌ（Normal litter）／ｍｉｎまで上昇させるという応答性が設定されている。この場合、最大応答性は、燃料電池スタック１０にエアが全く供給されていない状態において、アクセルがアイドル状態（アクセル開度が０％の状態）から、アクセルが最大に踏み込まれた状態（アクセル開度１００％の状態）に移行した場合に、１秒間で０Ｎｌ／ｍｉｎから、３７００Ｎｌ／ｍｉｎに上昇させるという応答性となる。この最大応答性を満たすためにエアコンプレッサ３２の駆動に必要な電力が、例えば５０ｋＷであった場合において、ＳＯＣ及び二次電池２２０の温度から定められる二次電池２２０の出力可能電力量が４０ｋＷであると、最大エア供給応答性を実現することができない。しかしながら、二次電池２２０の出力可能電力量が５０ｋＷ以上である場合、この最大応答性を満たすことができる。そこで、燃料電池システム１００では、二次電池２２０の出力可能電力量と、燃料電池スタック１０にエアが供給されていない状態において、所定のエア供給応答性を満たすために不足するエア供給量（Ｎｌ／ｍｉｎ）を予め実験等により求め、不足エア量マップ６３ｅとして設定されている。
【００４２】
図３に示すように、不足エア量マップ６３ｅでは、二次電池２２０の出力可能電力量が大きいほど、不足エア量としてより小さい値が設定されている。そして、二次電池２２０の出力可能電力量が５０ｋＷ以上である場合に不足エア量は０となっている。つまり、出力可能電力量が少なくとも５０ｋＷであれば、エアコンプレッサ３２からエアが供給されていない状態において、アクセル開度が１００％になった場合でも、１秒間で最大エア供給量である３７００Ｎｌ／ｍｉｎに上昇させることができることを意味する。また、二次電池２２０の出力可能電力量が０ｋＷである場合の不足エア量は、３７００Ｎｌ／ｍｉｎである。これは、二次電池２２０の出力可能電力量が０ｋＷである場合に、不足するエア量は３７００Ｎｌ／ｍｉｎであることを示している。
【００４３】
ここで、既にエアコンプレッサ３２からエアを供給している場合には、二次電池２２０の出力可能電力量が少ない場合でも、所定のエア供給応答性を満たすことができる。例えば、既にエアコンプレッサ３２からエアを供給しているために、アクセル開度が１００％となった場合に１秒間で上昇すべきエア供給量が１０００Ｎｌ／ｍｉｎであれば、二次電池２２０の出力可能電力量が５０ｋＷ未満であっても、所定のエア供給応答性（１秒以内での３７００Ｎｌ／ｍｉｎへのエア供給量の上昇）を満たすことができる場合がある。この例において３７００Ｎｌ／ｍｉｎは、請求項における所定のガス流量に、１秒間は請求項における所定の期間に、それぞれ相当する。なお、所定のエア供給応答性としては、１秒以内での３７００Ｎｌ／ｍｉｎへのエア供給量の上昇に限らず、任意の期間内に任意の流量まで増加させる任意のエア供給応答性を設定することができる。
【００４４】
燃料電池システム１００は、上述した各構成要素に加え、冷却媒体により燃料電池スタック１０を冷却するための機構（例えば、冷却媒体循環路やラジエータなど）を備えている。また、燃料電池システム１００は、燃料電池スタック１０により昇温された冷却媒体を利用して客室を温める図示しない暖房機構を備えている。
【００４５】
燃料電池システム１００では、始動時において燃料電池スタック１０の温度が０℃よりも低い場合には、低効率運転が開始され燃料電池スタック１０が暖機される。
【００４６】
燃料電池システム１００を搭載した電気車両では、走行安定性を保つため、燃料電池スタック１０の温度が０℃よりも低い場合には走行不可能な状態に設定され、低効率運転により燃料電池スタック１０の温度が昇温されて０℃以上となった場合に走行可能な状態に設定される。したがって、燃料電池スタック１０の温度が０℃よりも低い場合には、電気車両をより短期間で走行可能な状態とするために、出力応答性（要求出力を満たす電力を出力できる性能又は要求出力を満たすまでの期間の短さ）を低下させてより多くの発熱量を得るように低効率運転が実行される。そして、燃料電池システム１００では、燃料電池スタック１０の温度が上昇して０℃に達すると、低効率運転を継続して実行すると共に後述するエア供給量制御処理を実行することにより、燃料電池スタック１０の出力応答性及び発熱応答性を向上させることができる。なお、本実施例において「発熱応答性」とは、要求発熱量を満たすことができる性能、又は発熱要求があってから要求発熱量を満たすまでの期間の短さを意味する。
【００４７】
前述のエアコンプレッサ３２は、請求項における酸化剤ガス供給部に相当する。また、バイパス弁４４及び調圧弁４５は請求項における流量調整弁に、ＳＯＣ算出手段２２１は請求項における出力可能電力量取得部に、温度センサ１６は請求項における温度取得部に、それぞれ相当する。また、運転制御部６１ａは、請求項における供給ガス流量調整部，運転制御部，残水量取得部，要求発熱量決定部，速度取得部，アクセル開度取得部，及び減速要求取得部に相当する。
【００４８】
Ａ２．エア供給量制御処理：
始動時の低効率運転により燃料電池スタック１０の温度が上昇して０℃になると、電気車両は走行可能状態となり、燃料電池システム１００においてエア供給量制御処理が実行される。
【００４９】
図４は、本実施例におけるエア供給量制御処理の手順を示すフローチャートである。運転制御部６１ａは、図示しないアクセルの開度及び電気車両の速度に基づき、駆動用モータ２００や補機の要求出力値を決定する（ステップＳ１０５）。運転制御部６１ａは、要求発熱量を決定する（ステップＳ１１０）。本実施例では、低効率運転の際の要求発熱量として、燃料電池スタック１０の最大発生エネルギーから補機損失（補機への供給電力量）を除いた値（以下、「最大発熱量」と呼ぶ）が予め設定されており、運転制御部６１ａはこの最大発熱量を要求発熱量として設定する。運転制御部６１ａは、燃料電池スタック１０の目標動作点を決定する（ステップＳ１１５）。
【００５０】
図５は、目標動作点決定処理の手順を示すフローチャートである。運転制御部６１ａは、目標動作点の電流値（目標電流値）Ｉｒｅｆを、下記式２に基づき算出する（ステップＳ２０５）。式２において、「Ｐｆｃ」は、要求出力値を示す。また、「Ｐｌｏｓｓ」は要求発熱量を、「Ｖｌ」は単位セル当たりの理論起電圧を、「ｎ」は燃料電池スタック１０を構成する単セル２０の数を、それぞれ示す。
【００５１】
【数２】
2011148426.tif 000025
【００５２】
次に、運転制御部６１ａは、目標動作点の電圧値（目標電圧値）Ｖｒｅｆを、下記式３に基づき算出する（ステップＳ２１０）。式３における、Ｐｆｃ及びＩｒｅｆは、式２と同じである。
【００５３】
【数３】
2011148426.tif 000026
【００５４】
図４に示すように、目標動作点が決定されると、運転制御部６１ａは、濃度過電圧に基づき、エアストイキ比マップ６３ｂを参照してエアストイキ比を決定する（ステップＳ１２０）。
【００５５】
図６は、濃度過電圧の求め方を模式的に示す説明図である。図６において、横軸は燃料電池スタック１０の電流値を示し、縦軸は燃料電池スタック１０の電圧値を示す。図６において、曲線Ｌｃは、燃料電池スタック１０のＩ−Ｖ特性曲線（電流対電圧特性曲線）を示す。また、曲線Ｌｑは或る要求発熱量の等発熱量曲線を示し、曲線Ｌｐは或る要求出力の等出力曲線を示す。
【００５６】
図６に示す動作点Ｐ２は、要求出力（曲線Ｌｐ）と要求発熱量（曲線Ｌｑ）とを満たす動作点となり、上記ステップＳ１１５において設定される目標動作点である。動作点Ｐ１は、燃料電池スタック１０のＩ−Ｖ特性曲線上の動作点であって、目標電流値Ｉｒｅｆを満たす動作点である。濃度過電圧は、この動作点Ｐ１における電圧Ｖ０と、目標動作点Ｐ２の電圧Ｖｒｅｆとの差分として求められる。なお、運転制御部６１ａは、このようにして求めた濃度過電圧に基づき、図２に示すエアストイキ比マップ６３ｂを参照してエアストイキ比を求めることができる。
【００５７】
運転制御部６１ａは、ＦＣ必要エア量決定部６１ｂを制御して、燃料電池スタック１０に必要なエア量（ＦＣ必要エア量）Ａｆｃを、下記式４に基づき決定する（ステップＳ１２５）。式４において、定数「ｎ」は燃料電池スタック１０を構成する単セル２０の数を示す。また、定数「２２．４」は、エア量（モル）を体積（リットル）に換算するための係数であり、定数「６０」は、分を秒に換算するための係数であり、定数「９６５００」はファラデー定数であり、定数「０．２１」は空気中の酸素含有率である。なお、式４のエアストイキ比として、ステップＳ１２０で決定されたストイキ比を用いる。
【００５８】
【数４】
2011148426.tif 000027
【００５９】
運転制御部６１ａは、ＳＯＣ算出手段２２１から受信した充電電力量（ＳＯＣ）と、温度センサ１６から受信した温度（二次電池２２０の温度）とに基づき、出力可能電力量マップ６３ｄを参照して二次電池２２０の出力可能電力量を決定する（ステップＳ１３０）。
【００６０】
運転制御部６１ａは、ステップＳ１３０により決定した出力可能電力量に基づき、不足エア量マップ６３ｅを参照して、不足エア量Ａｌｃを決定する（ステップＳ１３５）。
【００６１】
運転制御部６１ａは、ステップＳ１２５により決定したＦＣ必要エア量Ａｆｃと、ステップＳ１３５により決定した不足エア量Ａｌｃとを比較して、ＦＣ必要エア量Ａｆｃが不足エア量Ａｌｃよりも少ないか否かを判定する（ステップＳ１４０）。
【００６２】
ＦＣ必要エア量Ａｆｃが不足エア量以上の場合（ステップＳ１４０：ＮＯ）、運転制御部６１ａは、供給エア量決定部６１ｃを制御して、エアコンプレッサ３２の供給エア量Ａａｃ（以下、単に「供給エア量Ａａｃ」と呼ぶ）として、ＦＣ必要エア量Ａｆｃと同一量を設定する（ステップＳ１４５）。
【００６３】
ステップＳ１４５において、供給エア量Ａａｃを設定すると、運転制御部６１ａは、空気バイパス路５６のエア量（バイパスエア量Ａｂｐ）と、ＦＣ必要エア量Ａｆｃとに基づき、弁制御部６１ｄを制御してバイパス弁４４及び調圧弁４５を調整する（ステップＳ１６０）。このステップＳ１６０の処理は、後述するステップＳ１５５の後にも実行されるが、ステップＳ１４５の後にステップＳ１６０が実行される場合、バイパスエア量Ａｂｐは０に設定され、バイパス弁４４の開度が０％に調整される。なお、バイパス弁４４の開度として、燃料電池スタック１０におけるポンピング水素の発生量及びポンピング水素を希釈するために必要なエア量を求め、この希釈用のエア量を空気バイパス路５６に流通させるように、バイパス弁４４の開度を設定することもできる。この場合、ＦＣ必要エア量Ａｆｃと、希釈用のエア量とを足し合わせたエア量が、供給エア量Ａａｃとして設定される。
【００６４】
運転制御部６１ａは、ステップＳ１４５により設定された供給エア量Ａａｃに基づき、回転数マップ６３ａを参照してエアコンプレッサ３２の回転数を決定し、決定した回転数となるようにエアコンプレッサ３２を制御する（ステップＳ１６５）。ステップＳ１６５の処理により、燃料電池スタック１０にＦＣ必要エア量Ａｆｃが供給されるが、このＦＣ必要エア量Ａｆｃは、二次電池２２０の出力可能電力量に基づく不足エア量よりも多い。したがって、その後、アクセル開度が１００％となって、ＦＣ必要エア量Ａｆｃが３７００Ｎｌ／ｍｉｎに設定された場合であっても、二次電池２２０の出力を上昇させることにより、かかるＦＣ必要エア量Ａｆｃを１秒以内に達成することができる。
【００６５】
前述のステップＳ１４０において、ＦＣ必要エア量Ａｆｃが不足エア量Ａｌｃよりも少ないと判定すると、運転制御部６１ａは、供給エア量Ａａｃとして、ステップＳ１３５で決定した不足エア量Ａｌｃを設定する（ステップＳ１５０）。この場合、エアコンプレッサ３２から供給される供給エア量Ａａｃは、ＦＣ必要エア量Ａｆｃよりも多くなる。そこで、運転制御部６１ａは、不足エア量ＡｌｃとＦＣ必要エア量Ａｆｃとの差分のエア量を、バイパスエア量Ａｂｐとして設定する（ステップＳ１５５）。その後、運転制御部６１ａは、前述のステップＳ１６０，Ｓ１６５を実行する。なお、ポンピング水素の希釈に要するエア量を求め、かかるエア量をステップＳ１５５で求めたバイパスエア量Ａｂｐに足し合わせてバイパスエア量Ａｂｐを設定することもできる。この場合、供給エア量Ａａｃは、不足エア量Ａｌｃと希釈用のエア量とを足し合わせて得られたエア量に設定される。
【００６６】
ステップＳ１５０〜Ｓ１６５を実行することにより、ＦＣ必要エア量Ａｆｃが不足エア量Ａｌｃよりも少ない場合には、エアコンプレッサ３２は不足エア量Ａｌｃを供給し、燃料電池スタック１０にはＦＣ必要エア量Ａｆｃが供給され、空気バイパス路５６には不足エア量ＡｌｃとＦＣ必要エア量Ａｆｃとの差分のエア量が供給される。したがって、その後、アクセル開度が１００％となってＦＣ必要エア量Ａｆｃが３７００Ｎｌ／ｍｉｎに設定された場合であっても、バイパスエア量Ａｂｐを０としてバイパスエア量Ａｂｐに相当するエア量をＦＣ必要エア量Ａｆｃに上乗せすることにより、二次電池２２０の出力可能電力量から定められる不足エア量Ａｌｃを供給エア量Ａａｃにより補うことができる。それゆえ、所定のエア供給応答性を実現することができる。
【００６７】
図７は、本実施例のエア供給量制御処理を行った場合に設定されるエアコンプレッサの供給エア量の一例を示す説明図である。図７において、横軸は二次電池２２０の出力可能電力量を示し、縦軸はエアコンプレッサ３２の供給エア量を示す。なお、図３に示す不足エア量マップ６３ｅを、説明の便宜のため図７において破線で示している。
【００６８】
例えば、二次電池２２０の出力可能電力量が３０ｋＷであり、目標動作点を実現するためのＦＣ必要エア量が４０００Ｎｌ／ｍｉｎ（動作点ｕ２）である場合、このＦＣ必要エア量は、かかる出力可能電力量（３０ｋＷ）における不足エア量（３０００Ｎｌ／ｍｉｎ）よりも多い。したがって、この場合、供給エア量ＡａｃとしてＦＣ必要エア量である４０００Ｎｌ／ｍｉｎを設定することにより、その後、アクセル開度が１００％となってＦＣ必要エア量Ａｆｃが３７００Ｎｌ／ｍｉｎに設定された場合であっても、１秒以内にＦＣ必要エア量Ａｆｃを３７００Ｎｌ／ｍｉｎにすることができ、所定の応答性を満たすことができる。
【００６９】
これに対し、例えば、二次電池２２０の出力可能電力量が３０ｋＷであり、目標動作点を実現するためのＦＣ必要エア量が１５００Ｎｌ／ｍｉｎ（動作点ｕ１）である場合、このＦＣ必要エア量は、かかる出力可能電力量（３０ｋＷ）における不足エア量（３０００Ｎｌ／ｍｉｎ）よりも少ない。しかし、エア供給量制御処理により、供給エア量Ａａｃとして、不足エア量（３０００Ｎｌ／ｍｉｎ）となるような動作点ｕ０でエアコンプレッサ３２を動作させるので、アクセル開度が１００％となってＦＣ必要エア量Ａｆｃが３７００Ｎｌ／ｍｉｎに設定された場合であっても、１秒以内にＦＣ必要エア量Ａｆｃを３７００Ｎｌ／ｍｉｎにすることができ、所定のエア供給応答性を満たすことができる。
【００７０】
以上説明したように、本実施例の燃料電池システム１００では、ＦＣ必要エア量Ａｆｃが不足エア量Ａｌｃよりも少ない場合に、エアコンプレッサ３２の供給エア量として不足エア量Ａｌｃを設定し、不足エア量ＡｌｃとＦＣ必要エア量Ａｆｃとの差分のガス流量を空気バイパス路５６に供給するようにしている。したがって、その後、アクセル開度が１００％となった場合であっても、燃料電池システム１００に設定されている所定のエア供給応答性を満たすことができるので、燃料電池スタック１０の出力応答性及び発熱応答性を向上させることができる。燃料電池スタック１０から駆動用モータ２００に対して電力を供給しながら低効率運転を行う場合には、アクセル開度に応じて負荷が大きく変わり、ＦＣ必要エア量Ａｆｃが急激に増減し得る。しかしながら、本実施例の構成とすることにより、低温環境下において二次電池２２０の出力可能電力量が小さい場合であっても、負荷の急増に応じたＦＣ必要エア量Ａｆｃの急増を実現でき、出力応答性及び発熱応答性を向上させることができる。
【００７１】
加えて、不足エア量ＡｌｃとＦＣ必要エア量Ａｆｃとの差分のガス流量を空気バイパス路５６に供給するようにしているので、エア供給応答性を満たすことが可能な最低限のエア供給量を、エアコンプレッサ３２のエア供給量として設定することができる。したがって、エアコンプレッサ３２のエア供給量として余剰な量を設定しないので、無駄な電力消費を抑えることができる。
【００７２】
また、不足エア量マップとして、二次電池２２０の出力可能電力量毎に不足エア量が設定されているので、一律に不足エア量を設定する場合に比べて、不足エア量を正確に決定することができる。したがって、ＦＣ必要エア量Ａｆｃが不足エア量Ａｌｃよりも少ない場合において、エアコンプレッサ３２のエア供給量として余剰な量を設定しないので、無駄な電力消費を抑えることができる。
【００７３】
また、ＦＣ必要エア量Ａｆｃが不足エア量Ａｌｃ以上の場合には、エアコンプレッサ３２の供給エア量Ａａｃとして、ＦＣ必要エア量Ａｆｃを設定する。この場合、その後、アクセル開度が１００％となった場合であっても、燃料電池システム１００に設定されている所定のエア供給応答性を満たすことができる。加えて、ステップＳ１５０，Ｓ１５５の処理を省略できるので、不足エア量Ａｌｃの多少に関わらず、一律にステップＳ１５０，Ｓ１５５を実行する構成に比べて、処理を簡素化することができる。
【００７４】
Ｂ．第２実施例：
図８は、第２の実施例における目標動作点決定処理の手順を示すフローチャートである。第２の実施例の燃料電池システムは、目標動作点決定処理において、ステップＳ２１５及びＳ２２０を加えて実行する点において、図１に示す燃料電池システム１００と異なり、他の構成は第１の実施例と同じである。
【００７５】
一般に、燃料電池スタック１０は、電解質溶液と触媒担持体との界面における電気二重層に起因する静電容量や、触媒の酸化還元反応による見かけ上の静電容量からなるコンデンサ容量（静電容量）を有している。この燃料電池スタック１０のコンデンサ成分により、燃料電池スタック１０の出力（電力量）及び発熱量に誤差が生じ得る。具体的には、燃料電池スタック１０を新たな目標動作点で運転させるために燃料電池スタック１０の電圧を急激に上昇させた場合には、燃料電池スタック１０はコンデンサ成分によりエネルギーを吸収する。したがって、燃料電池スタック１０は、新たな目標動作点とは異なる動作点において動作し得る。一方、燃料電池スタック１０の電圧を急激に降下させた場合には、燃料電池スタック１０はコンデンサ成分によりエネルギーを放出する。この場合も、燃料電池スタック１０は、新たな目標動作点とは異なる動作点において動作し得る。このように、目標動作点とは異なる動作点で動作した場合、燃料電池スタック１０の出力応答性及び発熱応答性は悪化することとなる。そこで、本実施例では、燃料電池スタック１０のコンデンサ成分を考慮して目標動作点を設定することにより、燃料電池スタック１０の出力応答性及び発熱応答性を向上させる。
【００７６】
具体的には、図８に示すように、ステップＳ２０５，Ｓ２１０において、目標電流値Ｉｒｅｆ及び目標電圧値Ｖｒｅｆを決定した後、運転制御部６１ａは、電圧変動に伴う燃料電池スタック１０のコンデンサ成分に起因する変動エネルギー量Ｐｆｃｃを、下記式５により算出する（ステップＳ２１５）。式５において、Ｃｆｃは、燃料電池スタック１０のコンデンサ成分（静電容量）を示す。また、Ｖｏｒｇは、現在の動作点における電圧値を示し、ΔＴは、現在の動作点の電圧から目標動作点の電圧に変化させるために要する期間（電圧制御応答性）として、予め燃料電池システム１００において設定されている期間を示し、例えば「１秒」を設定することができる。
【００７７】
【数５】
2011148426.tif 000028
【００７８】
運転制御部６１ａは、ステップＳ２１５で決定した変動エネルギー量Ｐｆｃｃに基づき、下記式６により目標電流値Ｉｒｅｆを補正して、補正後の目標電流値Ｉｒｅｆ’を決定する（ステップＳ２２０）。式６において、Ｉｒｅｆ及びＶｏｒｇは、式５と同じである。
【００７９】
【数６】
2011148426.tif 000029
【００８０】
例えば、電圧を上昇させる場合、燃料電池スタック１０のコンデンサ成分によりエネルギーが吸収される。そこで、予め目標電流値として当初の目標動作点の電流値よりも高い値に設定することにより、吸収されるエネルギーに相当するエネルギー分だけ多くの電力を出力し、吸収されるエネルギー量（変動エネルギー量）をキャンセルすることができる。式６の右辺第２項は、この変動エネルギーをキャンセルするための電流値を意味する。以上の目標動作点決定処理により、新たな目標動作点として、電圧値Ｖｒｅｆであり、電流値がＩｒｅｆ’である動作点が決定される。
【００８１】
以上の構成を有する第２実施例の燃料電池システムは、第１実施例の燃料電池システム１００と同じ効果を有する。加えて、電圧を変化させた際に生じる燃料電池スタック１０のコンデンサ成分（静電容量）による変動エネルギー量をキャンセルするように、目標電流値が決定される。したがって、燃料電池スタック１０のコンデンサ成分に起因するエネルギー変動が生じても、燃料電池スタック１０を当初の目標動作点で動作させることができ、燃料電池スタック１０の出力応答性及び発熱応答性を向上させることができる。
【００８２】
Ｃ．第３実施例：
図９は、第３実施例の燃料電池システムの概略構成を示す説明図である。第３実施例の燃料電池システム１００ａは、予めＲＯＭ６３に、第１発熱量制限マップ６３ｆと、第２発熱量制限マップ６３ｇと、ＦＣ必要発熱量マップ６３ｈと、暖機目標温度マップ６３ｉとが格納されている点において、図１に示す燃料電池システム１００と異なり、他の構成は第１実施例と同じである。なお、各マップ６３ｆ〜６３ｉの詳細については後述する。
【００８３】
第１の実施例では、低効率運転の際の要求発熱量として、燃料電池スタック１０の最大発熱量が予め設定されていたが、本実施例では、燃料電池スタック１０の温度や、燃料電池スタック１０の出力可能電力量に応じて要求発熱量を決定する。
【００８４】
図１０は、第３実施例における要求発熱量決定処理の手順を示すフローチャートである。第３実施例では、図１０に示す要求発熱量決定処理は、図４に示すステップＳ１１０として実行される。
【００８５】
運転制御部６１ａは、温度センサ１６からの測定値に基づき、燃料電池スタック１０の温度が０℃よりも低いか否かを判定し（ステップＳ３０５）、０℃よりも低い場合には、要求発熱量として、第１実施例と同様に、燃料電池スタック１０の最大発熱量が設定される（ステップＳ３１０）。このように、燃料電池スタック１０の温度が０℃よりも低い場合に要求発熱量として最大発熱量が設定されるのは、より短期間で０℃以上に昇温させることにより、より短期間で電気車両を走行可能状態とするためである。
【００８６】
ステップＳ３０５において、燃料電池スタック１０の温度が０℃以上であると判定した場合、運転制御部６１ａは、燃料電池スタック１０の出力可能電力量が所定の出力値（電力量）に達したか否かを判定する（ステップＳ３１５）。このステップＳ３１５における所定の出力値（しきい値）は、燃料電池スタック１０の出力応答性として最低限保証しなければならない応答性を実現可能な出力として決定される。具体的には、例えば、燃料電池スタック１０の最大出力（例えば１００ｋＷ）の半分の値（例えば５０ｋＷ）に設定することができる。なお、出力可能電力量は、現在の動作点の電流値及び電圧値から求めることができる。
【００８７】
ステップＳ３１５において、燃料電池スタック１０の出力可能電力量が所定値よりも小さいと判定された場合（ステップＳ３１５：ＹＥＳ）、運転制御部６１ａは、図示しない車速センサから得られる車速に基づき、第１発熱量制限マップ６３ｆを参照して発熱量上限値を決定する（ステップＳ３２０）。運転制御部６１ａは、図示しないアクセル開度センサから得られるアクセル開度に基づき、第２発熱量制限マップ６３ｇを参照して発熱量上限値を決定する（ステップＳ３２５）。
【００８８】
図１１は、図９に示す第１発熱量制限マップ及び第２発熱量制限マップの設定内容の一例を模式的に示す説明図である。図１１において、上段は第１発熱量制限マップ６３ｆを示し、下段は第２発熱量制限マップ６３ｇを示す。図１１の上段において、横軸は車速を示し、縦軸は発熱量を示す。図１１の下段において、横軸はアクセル開度を示し、縦軸は発熱量を示す。
【００８９】
第１発熱量制限マップ６３ｆは、燃料電池システム１００が搭載された電気車両の車速と、要求発熱量の上限値とを対応付けている。例えば、図１１上段に示すように、車速がＶ１の場合には、要求発熱量の上限値はａ１０に設定される。したがって、第１発熱量制限マップ６３ｆによると、車速がＶ１の場合には、要求発熱量はａ１０以下に制限される。
【００９０】
図１１上段に示すように、第１発熱量制限マップ６３ｆでは、車速が所定の速度Ｖ２を超えるまでは、車速が上昇するのにしたがって、要求発熱量の上限値も上昇するように設定されている。また、車速が所定の速度Ｖ２よりも高い場合には、要求発熱量の上限値は一定となっている。
【００９１】
このように要求発熱量の上限値を定めているのは、以下の理由による。発熱要求がより高い場合には、濃度過電圧をより高めるため、上記式１の反応がより多く起こる。その結果、燃料電池スタック１０におけるポンピング水素量が増えるため、かかるポンピング水素を希釈するために必要なエア量が増加する。この場合、エアコンプレッサ３２の回転数が増加するので、ノイズ及び振動が大きくなり、乗員に大きな違和感を与えることとなる。しかしながら、車速が高い場合には、ロードノイズ等の走行に伴うノイズ及び振動が比較的大きいので、エアコンプレッサ３２の回転数増加に伴うノイズ及び振動は、乗員にとって相対的に小さく感じられる。そこで、車速がより低いほど、発熱量の上限値をより低くすることにより、低速走行時のノイズ及び振動の発生を抑制し、車速がより高い場合により高い上限値を設定することにより、発熱応答性を向上させるようにしている。なお、所定の車速Ｖ２以上において要求発熱量の上限値を一定としているのは、或る程度の速度以上では、ロードノイズ等の走行に伴うノイズ及び振動よりもエアコンプレッサ３２の回転数増加に伴うノイズ及び振動の方がより大きくなるためである。
【００９２】
図１１下段に示す第２発熱量制限マップ６３ｇは、燃料電池システム１００が搭載された電気車両のアクセル開度と、要求発熱量の上限値とを対応付けている。例えば、図１１下段に示すように、アクセル開度がＤ１の場合には、要求発熱量の上限値はａ２０に設定される。したがって、第２発熱量制限マップ６３ｇによると、アクセル開度がＤ１の場合には、要求発熱量はａ２０以下に制限される。
【００９３】
図１１下段に示すように、第２発熱量制限マップ６３ｇでは、第１発熱量制限マップ６３ｆと同様に、アクセル開度が所定の開度Ｄ２を超えるまでは、アクセル開度が増加するのにしたがって、要求発熱量の上限値も上昇するように設定されている。また、アクセル開度が所定の開度Ｄ２よりも高い場合には、要求発熱量の上限値は一定となっている。
【００９４】
このように要求発熱量の上限値を定めているのは、以下の理由による。アクセル開度がより大きい場合には、乗員は、より加速度を大きくしようとしている。したがって、この場合、エアコンプレッサ３２の回転数増加に伴うノイズ及び振動がより大きくなっても、加速度の上昇に伴うノイズ及び振動の増加であるので、乗員は違和感をほとんど覚えない。一方、アクセル開度が小さい場合には、乗員は、加速度を小さくする（すなわち、現在の速度を維持しようとする又は減速しようとする）意図がある。この場合に、エアコンプレッサ３２のノイズ及び振動が大きいと乗員は強い違和感を覚える。そこで、アクセル開度がより小さいほど発熱量の上限値をより低くすることにより、低加速走行時のノイズ及び振動の発生を抑制し、高加速度走行時により高い上限値を設定することにより、発熱応答性を向上させるようにしている。なお、所定のアクセル開度Ｄ２以上において要求発熱量を一定としているのは、或る程度の加速度以上では、エアコンプレッサ３２の回転数増加に伴うノイズ及び振動が非常に大きくなるため、乗員に違和感を与えるおそれがあるからである。
【００９５】
図１０に示すステップＳ３２５においてアクセル開度に基づく要求発熱量の上限値を決定すると、運転制御部６１ａは、車速に基づく要求発熱量の上限値とアクセル開度に基づく要求発熱量の上限値とを比較してより小さい上限値を決定し、この決定した上限値と最大発熱量とのうち、より小さな発熱量を要求発熱量として決定する（ステップＳ３３０）。したがって、最大発熱量が、車速に基づく要求発熱量の上限値及びアクセル開度に基づく要求発熱量の上限値のいずれよりも小さい場合には、最大発熱量が要求発熱量として決定される。一方、最大発熱量が、車速に基づく要求発熱量の上限値及びアクセル開度に基づく要求発熱量の上限値の少なくとも一方よりも大きい場合には、これら上限値のいずれか小さい値に要求発熱量が設定される。
【００９６】
このように、ステップＳ３１５〜Ｓ３３０を実行するのは、燃料電池スタック１０は、最低限保証しなければならない応答性を実現可能な電力を未だ出力できない状態であるので、より早期に燃料電池スタック１０を昇温させて燃料電池スタック１０の出力を上昇させたいという要請と、電気車両は走行可能な状態であるので、乗員にできるだけ違和感を与えないようにするという要請とを両立させるためである。
【００９７】
燃料電池スタック１０の温度が上昇し、燃料電池スタック１０の出力可能電力量が所定の出力値（電力量）に達した場合（ステップＳ３１５：ＮＯ）、運転制御部６１ａは、始動時における燃料電池スタック１０の温度（以下、「始動時温度」とも呼ぶ）と、始動時における燃料電池スタック１０内に存在する水の量（含水量）とに基づき、暖機目標温度マップ６３ｉを参照して燃料電池スタック１０の暖機目標温度（暖機終了温度）を決定する（ステップＳ３３５）。
【００９８】
図１２は、図９に示す暖機目標温度マップ６３ｉの設定内容の一例を模式的に示す説明図である。図１２において、横軸は始動時温度を示し、縦軸は暖機目標温度を示す。暖機目標温度マップ６３ｉは、始動時温度と暖機目標温度とを、始動時における燃料電池スタック１０内の含水量に応じて対応付けたマップである。図１２では、始動時における燃料電池スタック１０内の含水量が比較的少ない場合の設定値を曲線Ｌｌ１により示している。また、燃料電池スタック１０の含水量が中程度の場合の設定値を曲線Ｌｍ１により、燃料電池スタック１０の含水量が比較的多い場合の設定値を曲線Ｌｈ１により、それぞれ示している。
【００９９】
各曲線Ｌｌ１，Ｌｍ１，Ｌｈ１に示すように、始動時温度が０℃よりも低い場合には、始動時温度がより低いほど、暖機目標温度はより高い温度に設定されている。これは、以下の理由による。始動時温度がより低いほど飽和水蒸気量は小さいので、燃料電池スタック１０内に含まれる液体の水の量は多くなる。したがって、始動時温度がより低いほど暖機目標温度をより高い温度に設定することにより、燃料電池スタック１０をより高い温度まで暖機して、燃料電池スタック１０内の水を水蒸気として排出し易くするためである。なお、燃料電池スタック１０内の水を排出するのは、各単セル２０におけるガス拡散性の向上等を目的とする。
【０１００】
また、始動時温度が同じ場合には、燃料電池スタック１０内の含水量がより多いほど、暖機目標温度はより高い温度に設定されている。これも、上述した始動時温度がより低いほどより高い暖機目標温度が設定されているのと同じ理由である。
【０１０１】
燃料電池スタック１０内の含水量は、例えば、燃料電池スタック１０のインピーダンスと含水量との対応関係を、予め実験等により求めてマップを設定しておき、ステップＳ３３５を実行する際に燃料電池スタック１０のインピーダンスを測定し、かかるインピーダンスの値に基づき、マップを参照して含水量を決定することができる。一般に、含水量が少ない場合にはインピーダンスは大きくなり、含水量が多い場合にはインピーダンスは小さくなる。また、例えば、前回運転時の各種記録から求めることもできる。具体的には、前回運転時の電流値の記録から、電気化学反応による生成水の量を求め、前回運転時のＦＣ供給エア量Ａｆｃと、燃料電池スタック１０の温度と、燃料電池スタック１０のエア圧力（調圧弁４５の燃料電池スタック１０側の圧力）とから生成水の排出量を求め、生成水量から排出量を減じることにより、燃料電池スタック１０の含水量を求めることもできる。
【０１０２】
なお、図１２に示すように、始動時の温度が０℃以上である場合には、燃料電池スタック１０内の含水量の多少に関わらず、同じ暖機目標温度が設定されている。
【０１０３】
暖機目標温度を設定すると、運転制御部６１ａは、燃料電池スタック１０の温度がステップＳ３３５で決定した暖機目標温度よりも低いか否かを判定する（ステップＳ３４０）。燃料電池スタック１０の温度が暖機目標温度に達していない場合（ステップＳ３４０：ＹＥＳ）、運転制御部６１ａは、現在の燃料電池スタック１０の温度と、始動時における燃料電池スタック１０内の含水量とに基づき、ＦＣ必要発熱量マップ６３ｈを参照して燃料電池スタック１０を昇温させるために必要な発熱量（以下、「ＦＣ必要発熱量」と呼ぶ）を決定する（ステップＳ３４５）。
【０１０４】
図１３は、図９に示すＦＣ必要発熱量マップ６３ｈの設定内容の一例を模式的に示す説明図である。図１３において、横軸は燃料電池スタック１０の温度を示し、縦軸はＦＣ必要発熱量を示す。ＦＣ必要発熱量マップ６３ｈは、燃料電池スタック１０の温度とＦＣ必要発熱量とを、始動時における燃料電池スタック１０内の含水量に応じて対応付けたマップである。図１３では、始動時における燃料電池スタック１０内の含水量が比較的少ない場合の設定値を曲線Ｌｌ２により示している。また、燃料電池スタック１０の含水量が中程度の場合の設定値を曲線Ｌｍ２により、燃料電池スタック１０の含水量が比較的多い場合の設定値を曲線Ｌｈ２により、それぞれ示している。
【０１０５】
３つの曲線Ｌｌ２，Ｌｍ２，Ｌｈ２に示すように、燃料電池スタック１０の温度が同じ温度である場合には、始動時における燃料電池スタック１０内の含水量がより多いほど、ＦＣ必要発熱量としてより大きな発熱量が設定されている。これは、ＦＣ必要発熱量をより多くして、より多くの水を水蒸気として排出し易くするためである。また、各曲線Ｌｌ２，Ｌｍ２，Ｌｈ２に示すように、燃料電池スタック１０の温度が高いほど、ＦＣ必要発熱量は小さく設定されている。これは、燃料電池スタック１０の温度が高いほど、燃料電池スタック１０の昇温スピードを遅くすることにより、暖機終了温度を超えて燃料電池スタック１０を昇温させてしまうことを抑制するためである。暖機終了温度を超えた燃料電池スタックの昇温を抑制することよって無駄な低効率運転を抑制できるので、反応ガスの燃費を向上させることができる。
【０１０６】
運転制御部６１ａは、ステップＳ３４５により決定したＦＣ必要発熱量と、暖房要求発熱量とを足し合わせて、要求発熱量を決定する（ステップＳ３５０）。燃料電池システム１００では、燃料電池スタック１０の出力可能電力量が所定の出力値（電力量）以上となった場合に、図示しない暖房機構に燃料電池スタック１０の廃熱を供給して暖房要求に応答する。したがって、暖房要求があった場合には、この暖房要求を満たす量の暖房要求発熱量と、燃料電池スタック１０の昇温のための発熱量（ＦＣ必要発熱量）とを足し合わせた熱量を、要求発熱量として決定する（ステップＳ３５０）。なお、暖房要求がない場合には、要求発熱量としてＦＣ必要発熱量が決定される。
【０１０７】
前述のステップＳ３４０において、燃料電池スタック１０の温度が暖機目標温度以上であると判定した場合（ステップＳ３４０：ＮＯ）、運転制御部６１ａは、暖房要求発熱量と、燃料電池スタック１０の温度を維持するために必要な発熱量（以下、「ＦＣ温度維持発熱量」と呼ぶ）とを足し合わせた熱量を、要求発熱量として決定する（ステップＳ３５５）。
【０１０８】
ＦＣ温度維持発熱量は、予め暖機目標温度毎に設定されており、かかる設定値をＲＯＭ６３から読み出すことにより得ることができる。なお、暖機目標温度に加えて、外気温や客室温度に応じた熱量を、ＦＣ温度維持発熱量として設定しておくこともできる。暖房要求発熱量は、前述のステップＳ３５０における暖房要求発熱量と同じである。
【０１０９】
以上の構成を有する第３実施例の燃料電池システム１００ａは、第１実施例の燃料電池システム１００と同様の効果を有する。加えて、電気車両が走行可能状態となり、燃料電池スタック１０の出力が、燃料電池スタック１０の出力応答性として最低限保証しなければならない応答性を実現可能な出力に達するまでの間においては、エアコンプレッサ３２の回転数増加に伴うノイズ及び振動が乗員に違和感を与えない程度に、より大きな発熱量を要求発熱量として設定される。したがって、燃料電池スタック１０の昇温速度をより高めたいとする要請と、ノイズ及び振動に起因する違和感を乗員に与えないとする要請とを両立させることができる。
【０１１０】
また、暖機目標温度（暖機終了温度）として、始動時温度がより低いほど、また、始動時の燃料電池スタック１０内の含水量がより多いほど、より高い温度を設定するので、低効率運転により燃料電池スタック１０自体に与える熱量をより多くすることができる。したがって、燃料電池スタック１０内に存在する水が多い状況であっても、かかる水を水蒸気として燃料電池スタック１０から排出させることができる。
【０１１１】
また、ＦＣ必要発熱量として、始動時の燃料電池スタック１０内の含水量がより多いほど、より大きな発熱量を設定するので、燃料電池スタック１０内に存在する水が多い状況であっても、かかる水を水蒸気として燃料電池スタック１０から排出させることができる。また、燃料電池スタック１０の温度が高いほど、ＦＣ必要発熱量としてより小さな発熱量を設定するので、燃料電池スタック１０の温度の上昇スピードをより遅くすることができる。したがって、暖機終了温度を超えて燃料電池スタック１０を昇温させることを抑制できるので、無駄な低効率運転の実行を抑制でき、反応ガスの燃費を向上させることができる。このように、第３実施例の燃料電池システム１００ａによると、燃料電池スタック１０の出力応答性及び発熱応答性を向上させるという課題に加えて、低効率運転の際のノイズ及び振動に起因する違和感を乗員に与えないようするという課題を解決することができる。さらに、始動時において燃料電池スタック１０内に残存する水によるガス拡散性の低下を抑制するという課題を解決することができる。
【０１１２】
Ｄ．第４実施例：
図１４は、第４実施例におけるＦＣ必要エア量決定処理の手順を示す説明図である。図１４に示すＦＣ必要エア量Ａｆｃ決定処理は、図４に示すステップＳ１２５として実行される。第４実施例の燃料電池システムは、ＦＣ必要エア量Ａｆｃを決定する際に図１４に示すＦＣ必要エア量決定処理を実行する点において、第１実施例の燃料電池システム１００と異なり、他の構成は第１実施例と同じである。
【０１１３】
運転制御部６１ａは、図４に示すステップＳ１１５により決定した目標電流値Ｉｒｅｆ及びステップＳ１２０により決定したエアストイキ比に基づき、上記式４を用いてＦＣ必要エア量Ａｆｃを算出する（ステップＳ４０５）。
【０１１４】
運転制御部６１ａは、減速要求されているか否かを判定する（ステップＳ４１０）。この判定は、例えば、現在の出力値（現在の電圧値Ｖｏｒｇ×現在の電流値Ｉｏｒｇ）よりも、目標出力値（目標電流値Ｉｒｅｆ×目標電圧値Ｖｒｅｆ）が小さい場合には、減速要求されていると判定することができる。また、例えば、アクセル開度が小さくなった場合や、ブレーキが踏まれたことにより、減速要求されているか否かを判定することができる。
【０１１５】
減速要求されていると判定した場合（ステップＳ４１５：ＹＥＳ）、運転制御部６１ａは、ステップＳ４０５で算出したＦＣ必要エア量Ａｆｃと、現在のＦＣ供給エア量Ａｆｃ＿ｏｒｇとの差分のエア量が、所定値Ａｆｃ＿ｃよりも多いか否かを判定する（ステップＳ４１５）。差分エア量が所定値Ａｆｃ＿ｃよりも多いと判定した場合には、運転制御部６１ａは、現在のＦＣ供給エア量Ａｆｃ＿ｏｒｇに所定値Ａｆｃ＿ｃを加えて、補正後のＦＣ必要エア量Ａｆｃ’を決定する（ステップＳ４２０）。したがって、ステップＳ４１５及びＳ４２０の結果、減速要求されている場合には、ＦＣ必要エア量Ａｆｃの増加量は、所定量Ａｆｃ＿ｃ以下に制限されることとなる。
【０１１６】
このように、減速要求されている場合にＦＣ必要エア量Ａｆｃの増加量を所定量Ａｆｃ＿ｃに制限しているのは、以下の理由による。電気車両が減速して要求出力が低下しても、燃料電池スタック１０の昇温のために要求発熱量は低下しないので、電流値の減少量は小さい。この場合、要求出力と要求発熱量とを満たすために濃度過電圧を増やすこととなるが、その結果として、ポンピング水素の発生量が増えるため希釈用のエア量が増加させる必要があり、エアコンプレッサ３２の回転数が増加してノイズ及び振動が大きくなるおそれがある。この場合、電気車両を減速させようとしているのにも関わらず、ノイズ及び振動が大きくなり、乗員に強い違和感を与えてしまう。そこで、第４実施例の燃料電池システムでは、減速要求されている場合にＦＣ必要エア量Ａｆｃの増加量を所定量Ａｆｃ＿ｃ以下に制限することにより、エアコンプレッサ３２の回転数増加に伴うノイズ及び振動の増加を抑制し、乗員に違和感を与えることを抑制する。なお、所定値Ａｆｃ＿ｃは、予め実験等により、乗員が違和感を覚えない程度のエア量を求めて設定することができる。
【０１１７】
前述のステップＳ４１０において減速要求されていないと判定した場合、及び前述のステップＳ４１５において差分エア量が所定値Ａｆｃ＿ｃ以下であると判定した場合には、ＦＣ必要エア量決定処理は終了し、ステップＳ４０５において算出したエア量が、ＦＣ必要エア量Ａｆｃとして設定されることとなる。
【０１１８】
以上の構成を有する第４実施例の燃料電池システムは、第１実施例の燃料電池システム１００と同様の効果を有する。加えて、減速要求されている場合において、ＦＣ必要エア量の増加量を所定値Ａｆｃ＿ｃ以下に抑制することができるので、電気車両を減速させようとしているのにも関わらず、エアコンプレッサ３２のノイズ及び振動が大きくなることによる違和感を乗員に与えないようにすることができる。このように、第４実施例の燃料電池システムによると、燃料電池スタック１０の出力応答性及び発熱応答性を向上させるという課題に加えて、電気車両の減速要求時におけるノイズ及び振動に起因する違和感を、乗員に与えないようするという課題を解決することができる。
【０１１９】
Ｅ．変形例：
なお、上記各実施例における構成要素の中の、独立クレームでクレームされた要素以外の要素は、付加的な要素であり、適宜省略可能である。また、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
【０１２０】
Ｅ１．変形例１：
第１〜３実施例では、ＦＣ必要エア量Ａｆｃが不足エア量Ａｌｃよりも小さい場合に、供給エア量Ａａｃとして不足エア量Ａｌｃを設定していたが、不足エア量Ａｌｃに代えて、不足エア量Ａｌｃとは異なるエア量を、ＦＣ必要エア量Ａｆｃとして設定することもできる。この場合、不足エア量マップとして、図３に示す不足エア量マップ６３ｅとは異なるマップを利用することができる。
【０１２１】
図１５は、変形例１における不足エア量マップの設定内容の例を示す説明図である。図１５において、横軸及び縦軸は、図３の横軸及び縦軸と同じである。図１５では、変形例１における第１の不足エア量マップ６３ｘ，第２の不足エア量マップ６３ｙ，及び第３の不足エア量マップ６３ｚを示している。なお、図３に示す第１実施例の不足エア量マップ６３ｅを破線で示している。
【０１２２】
第１の不足エア量マップ６３ｘでは、不足エア量として、二次電池２２０の出力可能電力量が５０ｋＷ以下において、第１実施例の不足エア量マップ６３ｅよりも所定量だけ多いエア量が設定されている。したがって、図４に示すステップＳ１５０において設定されるエアコンプレッサ３２の供給エア量Ａａｃは、第１実施例において設定されるエア量よりも多くなる。このような構成により、供給エア量Ａａｃを不足エア量Ａｌｃよりも多くできるので、所定の応答性を確実に実現することができる。
【０１２３】
第２の不足エア量マップ６３ｙでは、不足エア量として、二次電池２２０の出力可能電力量が５０ｋＷ以下において、いずれも３７００Ｎｌ／ｍｉｎが設定されている。この構成においても、ステップＳ１５０において設定されるエアコンプレッサ３２の供給エア量Ａａｃは、第１実施例において設定されるエア量以上となる。このような構成により、二次電池２２０の出力可能電力量が５０ｋＷ以下の場合には、二次電池２２０の出力可能電力量によらず供給エア量Ａａｃを一定にすることができるので、処理をシンプルにすることができる。
【０１２４】
第３の不足エア量マップ６３ｚでは、不足エア量として、二次電池２２０の出力可能電力量が５０ｋＷ以下において、第１実施例の不足エア量マップ６３ｅよりも少ないエア量が設定されている。このような構成においても、ＦＣ必要エア量Ａｆｃが不足エア量Ａｌｃよりも少ない場合において、エアコンプレッサ３２の供給エア量ＡａｃとしてＦＣ必要エア量Ａｆｃよりも多いエア量を設定することができる。したがって、所定のエア供給応答性は実現できないが、エアコンプレッサ３２の供給エア量ＡａｃとしてＦＣ必要エア量Ａｆｃを設定する構成に比べて、エア供給応答性を向上させることができる。それゆえ、燃料電池スタック１０の出力応答性及び発熱応答性を向上させることができる。
【０１２５】
すなわち、一般には、二次電池２２０の出力可能電力が５０ｋＷ以下の場合に（供給ガス流量を０から所定のガス流量まで所定の期間内に増加させるためにエアコンプレッサ３２が要する最低電力以下の場合に）、目標電流値Ｉｒｅｆを実現するために燃料電池スタック１０に供給されるべきエア量（ＦＣ必要エア量Ａｆｃ）よりも多いガス流量を、エアコンプレッサ３２の供給エア量Ａａｃとして設定する任意の構成を、本発明の燃料電池システムに採用することができる。
【０１２６】
Ｅ２．変形例２：
第３実施例では、燃料電池スタック１０の温度が０℃よりも高く、かつ、燃料電池スタック１０の出力可能電力量が所定の出力値よりも小さい場合に、車速に基づく発熱量上限値及びアクセル開度に基づく発熱量上限値を設定し、要求発熱量がこれら上限値以下となるように制限していたが、本発明はこれに限定されるものではない。ステップＳ３２０及びＳ３２５のうち、いずれか一方を省略し、他方の上限値を用いて要求発熱量を制限することもできる。また、例えば、ステップＳ３１５〜Ｓ３３０を省略し、燃料電池スタック１０の温度が０℃以上となった場合には、ステップＳ３３５〜Ｓ３５５を実行することもできる。この構成においても、燃料電池スタック１０内の含水量に応じて要求発熱量を決定することができるので、燃料電池スタック１０内に残存する水を排出し易くすることができる。
【０１２７】
また、ステップＳ３３５〜Ｓ３５５までの処理を省略して、燃料電池スタック１０の温度が、０℃以上であり、かつ、暖機目標温度以下の場合には、ステップＳ３１５〜Ｓ３３０を実行することもできる。この構成においても、車速及びアクセル開度に応じて発熱量の上限値を制限できるので、乗員に対してノイズや振動の違和感を与えないようにすることができる。
【０１２８】
Ｅ３．変形例３：
各実施例では、ＦＣ必要エア量Ａｆｃとバイパスエア量Ａｂｐとの流量比を制御するために、バイパス弁４４及び調圧弁４５を用いていたが、いずれか一方のみで制御することもできる。かかる構成では、流量比を制御するために用いる一つの弁が、請求項における流量調整弁に相当する。すなわち、一般には、酸化剤ガス供給部から供給される酸化剤ガスのうち、酸化剤ガス供給路から燃料電池に向かう酸化剤ガスの流量と、酸化剤ガス供給路からバイパス流路に向かう酸化剤ガスの流量との流量比を調整する流量調整弁を、本発明の燃料電池システムに採用することができる。
【０１２９】
Ｅ４．変形例４：
各実施例では、燃料電池システムは、電気車両に搭載されて用いられていたが、これに代えて、ハイブリッド自動車，船舶，ロボットなどの各種移動体に適用することもできる。また、燃料電池スタック１０を定置型電源として用い、燃料電池システムをビルや一般住宅等の建物における暖房システムに適用することもできる。
【０１３０】
Ｅ５．変形例５：
各実施例では、酸化剤ガスとして空気を用いていたが、空気に代えて、酸素を含む任意の気体を酸化剤ガスとして用いることもできる。
【０１３１】
Ｅ６．変形例６：
上記実施例において、ソフトウェアによって実現されていた構成の一部をハードウェアに置き換えるようにしてもよい。また、これとは逆に、ハードウェアによって実現されていた構成の一部をソフトウェアに置き換えるようにしてもよい。
【符号の説明】
【０１３２】
１０…燃料電池スタック
１６…温度センサ
２０…単セル
２１…アノード側セパレータ
２２…ＭＥＡ
２３…カソード側セパレータ
３１…水素タンク
３２…エアコンプレッサ
４２…遮断弁
４３…水素ガス供給弁
４４…バイパス弁
４５…調圧弁
４６…パージ弁
４７…循環ポンプ
５１…水素ガス供給路
５２…アノードオフガス排出路
５３…水素ガスバイパス路
５４…空気供給路
５５…カソードオフガス排出路
５６…空気バイパス路
６０…制御ユニット
６１…ＣＰＵ
６２…ＲＡＭ
６３…ＲＯＭ
６１ａ…運転制御部
６１ｂ…ＦＣ必要エア量決定部
６１ｃ…供給エア量決定部
６１ｄ…弁制御部
６１ｅ…出力可能電力量取得部
６３ａ…回転数マップ
６３ｂ…エアストイキ比マップ
６３ｃ…弁開度マップ
６３ｄ…出力可能電力量マップ
６３ｅ…不足エア量マップ
６３ｆ…第１発熱量制限マップ
６３ｇ…第２発熱量制限マップ
６３ｉ…暖機目標温度マップ
６３ｈ…ＦＣ必要発熱量マップ
６３ｘ…第１の不足エア量マップ
６３ｙ…第２の不足エア量マップ
６３ｚ…第３の不足エア量マップ
１００，１００ａ…燃料電池システム
２００…駆動用モータ
２１０…ＤＣ−ＤＣコンバータ
２２０…二次電池
２２１…ＳＯＣ算出手段
Ａｆｃ…必要エア量
Ａｌｃ…不足エア量
Ａｂｐ…バイパスエア量
【手続補正２】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】全図
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１】
2011148426.tif 000030
【図２】
2011148426.tif 000031
【図３】
2011148426.tif 000032
【図４】
2011148426.tif 000033
【図５】
2011148426.tif 000034
【図６】
2011148426.tif 000035
【図７】
2011148426.tif 000036
【図８】
2011148426.tif 000037
【図９】
2011148426.tif 000038
【図１０】
2011148426.tif 000039
【図１１】
2011148426.tif 000040
【図１２】
2011148426.tif 000041
【図１３】
2011148426.tif 000042
【図１４】
2011148426.tif 000043
【図１５】
2011148426.tif 000044
【国際調査報告】
2011148426.tif 000045
2011148426.tif 000046
2011148426.tif 000047
2011148426.tif 000048